Механика полета вертолета

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общая характеристика вертолета

2. Основные характеристики несущего винта

3. Взлет и полет вертолета

3.1 Взлет

3.2 Горизонтальный полет

Заключение

Список литературы

Введение

В наше время вертолеты набирают популярность, и без вертолетов трудно становится представить себе современный мир. Их применение крайне разнообразно: вертолеты применяются и в вооруженных силах; в полицейских операциях и операциях спецназа; в спасательных работах; при тушении пожаров; в медицине (срочная доставка пострадавшего в больницу); в коммерческих перевозках; для съемок с воздуха; для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур; как вид общественного транспорта; при строительных работах.

Не лишним будет отметить, что именно в России был впервые разработан и осуществлен первый боевой одноместный ударный вертолет, со сложной соосной схемой несущего винта. Он получил название Ка-50 (также известен как "Черная акула"), так как разрабатывался в ОКБ Камова.

Данная работа посвящена некоторым особенностям механики полета вертолета. Вообще же, вертолет это летательный аппарат тяжелее воздуха, у которого подъемная сила, создается несущим винтом по аэродинамическому принципу Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 5.. Необходимые для полета подъемная сила и тяга создаются одним или несколькими несущими винтами (пропеллерами), которые вращаются двигателем (двигателями).

Строго говоря, вертолет состоит из целого ряда ключевых узлов, в частности - силовой установки, корректирующего винта, несущего винта и других, тем не менее, формат работы не позволяет исследовать их все. Наиболее целесообразным нам видится уделить наибольшее внимание именно несущему винту, так как эта деталь вертолета, по мнению целого ряда исследований, оказывает наибольшее влияние на летные характеристики вертолета. Принимая это во внимание, работа была логически разделена на три части.

В первой главе была изучена общая характеристика вертолетов - позволяющая читателю составить общее представление о составных элементах и принципах работы вертолета.

Во второй главе, описывается принцип работы, и геометрические параметры несущего винта. Изучается влияние рассмотренных параметров на летные характеристики вертолета.

В третьей главе рассматриваются некоторые особенности полета вертолета, что может быть особенно полезно авиамоделистам.

В реферате были использованы справочники Д.И. Базов "Аэродинамика вертолетов", А.М. Загордана "Элементарная теория вертолета" и А. Гессоу и Г.Мейерс "Аэродинамика вертолета", а также ряд статей других авторов по данной теме.

Особенностью данной работы было популярное изложение идей изложенных в научной литературе, в частности, в справочнике Д.И.Базова, изложение информации в котором сравнительно «сухо». Помимо этого, интерес представляет прослеживание взаимосвязей между геометрическими и другими характеристиками несущего винта и полетными качествами вертолета, что слабо отражено в явном виде в существующих пособиях. Таким образом, данная работа может привлечь внимание авиамоделистов, школьников и всех интересующихся данным вопросом.

1. Общая характеристика вертолета

Для того чтобы узнать основы вертолета, необходимо знать историю их развития.

Идея создания летательного аппарата с воздушным винтом, который создает подъемную силу, впервые была высказана в 1475 г. Леонардо да Винчи. Однако, невозможность технического осуществления такого проекта, противоречие религиозным взглядам сделали эту идею слишком преждевременной. Она была похоронена в архивах. Эскиз и описание этого летательного аппарата были обнаружены в Миланской библиотеке и опубликованы в конце XIX в.

В 1754 г. М. В. Ломоносов обосновал возможность создания летательного аппарата тяжелее воздуха и построил модель двухвинтового вертолета с соосным расположением винтов.

В XIX в. многие русские ученые и инженеры разрабатывали проекты летательных аппаратов с несущими винтами. В 1869 г. инженером-электриком А. Н. Лодыгиным был предложен проект вертолета с электрическим двигателем.

Ученый-металлург Д. К. Чернов разработал схемы вертолетов с продольным, поперечным и соосным расположением винтов.

В конце ХIХ в. разработкой летательных аппаратов занимались выдающиеся русские ученые Д. И. Менделеев, К. Э. Циолковский, Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин. Начинается период глубокого научного обоснования идеи полета на летательных аппаратах тяжелее воздуха.

Ближайший ученик Н. Е. Жуковского -- Б. Н. Юрьев в 1911.г. предложил обоснованный проект одновинтового вертолета с рулевым винтом и разработал основной агрегат управления вертолетом -- автомат перекоса несущего винта.

Конечно же, вертолеты дорабатываются и усовершенствуются, но в данной работе мы рассмотрим только основные элементы, поэтому мы представили только основные вехи из истории развития вертолетов.

Ознакомившись с историей, перейдем к описанию основных частей вертолета.

Основными частями вертолета являются:

Рис. 1. Основные части вертолета

1) несущий винт, проводимый в движение силовой установкой (двигателем); (Рис.1., элемент 1)

2) фюзеляж, предназначенный для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и грузов; (Рис.1., элемент 2)

3) шасси, т.е. устройство, предназначенное для передвижения по земле и для стоянки; (Рис.1., элемент 3)

4) рулевой винт, обеспечивающий путевое равновесие и путевое управление вертолетом; (Рис.1., элемент 4)

5) силовая установка, которая приводит в движение несущий и рулевой винты и вспомогательные агрегаты; (не изображен на рисунке, так как находится внутри вертолета)

6) трансмиссия, передающая крутящий момент от силовой установки к несущему и рулевому винтам. (не изображен на рисунке, так как находится внутри вертолета)

Все части вертолета крепятся к фюзеляжу или располагаются в нем, как показано на рисунке 1.

Ознакомившись с основными частями вертолета, перейдем к их классификации

Вертолеты, чаще всего разделяют по аэродинамической схеме, а именно на одновинтовые, т.е. вертолет с одним несущим винтом (более подробно об особенностях одновинтовых вертолетов можно узнать в таблице 1), двухвинтовые, т.е. вертолет с двумя несущими винтами (более подробно об особенностях двухвинтовых вертолетов можно узнать в таблице 2), и многовинтовые, т.е. вертолет у которого больше чем два несущих винта.

Вертолеты с одним несущим винтом делятся на три типа.

Рис.2. Одновинтовый вертолет со струйной системой управления - MD 900 Explorer.

Таблица 1. Разновидности одновинтовых вертолетов

Рис.3. Двухвинтовый вертолет соосной схемы - Ка-50

Таблица 2. Разновидности двухвинтовых вертолетов

У многовинтовых вертолетов компенсация происходит за счет наличия равного количества противоположно вращающихся винтов. Но, все ровно, они распространения не получили ввиду сложности конструкции.

Ознакомившись с классификацией вертолетов, мы далее рассмотрим основные характеристики именно несущего винта, т.к. полет летательного аппарата становятся возможным при наличии подъемной силы, уравновешивающей его вес, а подъемную силу у вертолета создает несущий винт (НВ).

2. Основные характеристики несущего винта

Несущий винт является основной частью вертолета. Он состоит из втулки (Рис.4., элемент 1) и лопастей (Рис.5., элемент 1). Лопасти создают силу тяги, необходимую для полета, втулка же соединяет все лопасти и служит для крепления несущего винта к валу, который вращает винт.

По конструктивным признакам несущие винты можно подразделить на три типа: с жестким креплением лопастей, с шарнирной подвеской лопастей, на кардане.

Рассмотрим типы более подробно. Несущий винт с жестким креплением лопастей является наиболее простой конструкцией и в этом его основное преимущество. Редко, на легких вертолетах применяются несущие винты с рессорным креплением лопастей. Эти винты можно считать разновидностью винтов с жесткими лопастями.

Втулка несущего винта с жесткими лопастями имеет осевые шарниры (Рис.4., элемент 2), которые позволяют лопастям поворачиваться относительно продольной оси, что необходимо для управления несущим винтом.

Рис.4. Несущий винт с жестким креплением лопастей

Несущий винт с шарнирной подвеской лопастей является наиболее распространенным. Его втулка имеет три шарнира для каждой лопасти: осевой (Рис.5., элемент 2), горизонтальный (Рис.5., элемент 3) и вертикальный (Рис.5., элемент 4).

Рис.5. Несущий винт с шарнирной подвеской лопастей

Втулки несущих винтов выполняют из легированной стали. Лопасти могут быть металлическими, деревянными и смешанной конструкции, а также из синтетических материалов.

Винт характеризуется определенными геометрическими параметрами: диаметром, формой лопасти в плане, формой профиля, установочным углом лопастей, ометаемой площадью, удельной нагрузкой, коэффициентом заполнения.

Рассмотрим основные из них. Количество лопастей Z. На современных вертолетах применяются трех-, четырех- и пятилопастные винты. Увеличение количества лопастей ухудшает работу несущего винта из-за вредного взаимного влияния лопастей. Уменьшение количества лопастей (меньше трех) приводит к пульсирующему характеру тяги, создаваемой винтом, и повышенным вибрациям вертолета в полете. http://acv179672006.narod.ru/history3-1.htm. - Данные соответствуют 29.03.10.

Диаметр несущего винта D -- диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении. Радиус этой окружности R и называется радиусом несущего винта. Расчеты показывают, что при одной и той же подводимой к винту мощности его тяга увеличивается с увеличением диаметра. Так, например, увеличение диаметpa вдвое увеличивает тягу в 1,59 раза, увеличение диаметра в пять раз увеличивает тягу в 2,92 раза. Там же. Однако увеличение диаметра связано с увеличением веса винта, с большой сложностью обеспечения прочности лопастей, с усложнением технологии изготовления лопастей, увеличением длины хвостовой балки и др. Поэтому при разработке вертолета выбирается некоторый оптимальный диаметр.

Форма лопасти в плане может быть прямоугольная, трапециевидная и смешанная.

По форме лопасть похожа на крыло самолета. Передняя кромка лопасти называется ребром атаки, задняя -- ребром обтекания.

Трапециевидные и прямоугольные - наиболее распространенные лопасти. Трапециевидная лопасть имеет наиболее равномерное распределение аэродинамических сил по длине лопасти. Прямоугольная лопасть проще по конструкции, но имеет несколько худшие аэродинамические характеристики.

Профиль лопасти -- форма сечения лопасти плоскостью, перпендикулярной к продольной оси. Профиль лопасти похож на профиль крыла. Чаще всего применяются двояковыпуклые несимметричные профили.

Профиль лопасти характеризуется относительной толщиной c и относительной кривизной f.

По относительной толщине профили подразделяются на тонкие (с<8%), средние (с=8%-12%) и толстые (с>12%). У большинства лопастей относительная толщина с>12%. Применение толстых профилей позволяет увеличивать прочность силовых элементов и жесткость лопасти. Кроме того, аэродинамическое качество меньше зависит от угла атаки при толстых профилях. Эта их особенность улучшает свойства лопасти на режиме самовращения. Обычно у концевых элементов лопасти относительная толщина больше, чем у корневых. Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 11.

Относительная кривизна лопасти f=2% - 3% и приближает форму профиля к симметричной, что способствует уменьшению перемещения центра давления при изменении угла атаки.

За шаг лопасти принимается установочный угол (угол ?, образованный хордой элемента и плоскостью вращения втулки несущего винта), или шаг элемента лопасти, относительный радиус которого r=0,7. Этот же угол принимается за установочный угол (шаг) несущего винта. Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 12.

При повороте лопасти относительно ее продольной оси установочный угол изменяется. Такой поворот возможен благодаря наличию осевого шарнира, следовательно, осевые шарниры лопастей несущего винта предназначены для изменения шага. Изменение шага винта нужно для улучшения управляемости и маневренности вертолета, например, При взлете, когда увеличиваются только обороты двигателя, без изменения шага несущего винта, разворачивания вертолета не будет.

Площадь, ометаемая несущим винтом, -- это площадь круга, который описывают концы лопастей.

Понятие ометаемой площади несущего винта вводится потому, что эта площадь может рассматриваться как некоторая несущая поверхность, аналогичная крылу самолета ввиду вязкости и инертности воздуха, образующего при протекании через площадь, ометаемую винтом, одну общую струю.

Удельная нагрузка на ометаемую площадь определяется как отношение веса вертолета к площади, ометаемой несущим винтом

где Р - удельная нагрузка, кг/м2;

G - вес вертолета, кг;

F - ометаемая площадь, м2.

Рассмотрим основные режимы работы.

Условия работы несущего винта или его режим работы определяются положением несущего винта в потоке воздуха. В зависимости от положения различают два основных режима работы: осевого обтекания и косого.

Режимом осевого обтекания называются такие условия работы несущего винта, при которых ось его втулки расположена параллельно набегающему невозмущенному потоку. В этом режиме несущий винт работает на стоянке, при висении, при вертикальном наборе высоты и при вертикальном снижении вертолета. Существенной особенностью режима осевого обтекания является то, что положение лопасти вращающегося несущего винта относительно потока, набегающего на винт, не меняется, следовательно, не меняются аэродинамические силы при движении лопасти по кругу.

Режимом косого обтекания называются такие условия работы несущею винта, при которых лоток воздуха набегает на винт не параллельно оси втулки. Существенное отличие этого режима заключается в том, что при движении лопасти по кругу непрерывно изменяется се положение относительно потока, набегающего на винт. Следствием этого будет изменение скорости обтекания каждого элемента и аэродинамических сил лопасти. Режим косого обтекания имеет место при горизонтальном полете вертолета и при полете по наклонной траектории вверх и вниз.

Из определения режимов работы видно, что положение несущего винта в потоке воздуха имеет существенное значение. Это положение определяется углом атаки несущего винта.

Углом атаки несущего винта называется угол А, образованный плоскостью вращения втулки и вектором скорости полета или невозмущенного потока, набегающего на винт. Угол атаки положителен, если поток набегает на винт снизу. Если поток набегает, на винт сверху -- угол атаки отрицательный. Если же поток воздуха набегает на винт параллельно плоскости вращения втулки, угол атаки равен нулю. Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 14.

Нетрудно заметить связь между режимом работы несущего винта и углом атаки: на режиме осевого обтекания угол атаки несущего винта А= ±900; на режиме косого обтекания А<>±90°.

Если угол атаки А=0°, то режим работы несущего винта называется режимом плоского обтекания.

Изучив общие характеристики вертолета и параметры несущего винта, приступим к динамике полета вертолета.

3. Взлет и полет вертолета

3.1 Взлет

Взлет вертолета является неустановившимся ускоренным видом полета. При взлете скорость изменяется от V=0 до скорости, при которой происходит установившийся набор высоты. Чаше всего эта скорость равна экономической скорости горизонтального полета. В зависимости от полетного веса, атмосферных условий, высоты аэродрома над уровнем моря, наличия препятствий взлет может быть выполнен по-вертолетному, по-самолетному и по-вертолетному с использованием «воздушной подушки» (воздушная подушка -- аналог камеры от автомобиля с подаваемым в середину сжатым воздухом) и без использования.

Иногда перед взлетом или в процессе взлета вертолет передвигается по земле, т. е. выполняет руление. Руление на вертолете существенно отличается от руления на самолете.

Руление осуществляется за счет движущей силы Р, которая уравновешивает силы трения колес Fтр. Реактивный момент несущего винта уравновешивается моментом тяги рулевого винта. Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 140.

Взлет по-вертолетному является основным видом взлета.

При этом взлете выполняется вертикальный отрыв и на высоте 1,5--2 м производится контрольное висение (проверяется работа несущего винта, двигателя и оборудования). Затем вертолет переводят в набор высоты по наклонной траектории с одновременным увеличением скорости. При этом переходе возможно «проседание» вертолета, т. е. уменьшение высоты, а иногда и удар колесами о землю. Такое явление вызывается наклоном оси конуса несущего винта вперед для создания движущей силы Р, в результате чего уменьшается вертикальная составляющая тяги несущего винта. Поэтому одновременно с наклоном оси конуса несущего винта вперед нужно увеличивать силу тяги путем увеличения шага винта.

Когда вертолет наберет высоту 20--25 м или окажется выше окружающих препятствий, взлет считается законченным.

Взлет пo-самолетному. При взлете по-самолетному вертолет выполняет разбег по земле, затем отрыв и переход к набору высоты по наклонной траектории. При таком взлете используется основное преимущество работы несущего винта на режиме косого обтекания -- увеличение тяги, развиваемой винтом при увеличении скорости набегающего на несущий винт потока воздуха.

В результате увеличения силы тяги возрастает подъемная сила. Когда она становится несколько больше силы веса, вертолет отрывается от земли и переходит к набору высоты по наклонной траектории при дальнейшем увеличении скорости полета. Если при V=0 взлет невозможен из-за недостатка мощности, то при скорости 40--50 км/ч образуется значительный избыток мощности, что и позволяет вертолету перейти на режим набора высоты с одновременным увеличением скорости полета.

Разбег выполняется на всех колесах шасси. На некоторых вертолетах последняя часть разбега заканчивается на носовом колесе. При такой технике разбега ускорение увеличивается за счет наклона продольной оси фюзеляжа и увеличения б результате этого движущей силы Р. Взлет вертолета считается законченным при наборе безопасной высоты (25 м) и скорости по траектории, близкой к экономической скорости горизонтального полета.

Взлет по-вертолетному с использованием воздушной подушки. При взлете по-самолетному на разбеге по неровной поверхности могут возникнуть вибрации. Тогда взлет выполняется с использованием воздушной подушки. При таком взлете вертолет отрывается вертикально, используя повышенную тягу несущего винта в зоне влияния воздушной подушки (высота от плоскости вращения несущего винта до земли не превышает R).

После отрыва и висения в зоне воздушной подушки вертолет переводится на выдерживание, т. е. полет на малой высоте с увеличением скорости. На выдерживании по мере увеличения скорости уменьшается влияние воздушной подушки, но увеличивается эффективность косого обтекания, в результате чего сила тяги несущего винта увеличивается, что и позволяет перевести вертолет в набор высоты по наклонной траектории. Для выполнения такого взлета необходимо иметь довольно ровную площадку, т. е. на ней не должно быть больших канав и обрывов, где исчезает влияние воздушной подушки.

В некоторых случаях все рассмотренные выше способы взлета неприменимы вследствие препятствий, окружающих площадку. Тогда взлет выполняется без использования воздушной подушки, т. е. выполняется отрыв и контрольное висение, затем вертикальный набор высоты. На высоте 5--10 м выше окружающих препятствий вертолет переводят на набор высоты по наклонной траектории с одновременным разгоном до экономической скорости. Вертикальный взлет применяется редко, потому что требует повышенной мощности и производится в опасной зоне. Если достаточного запаса мощности нет, а взлет выполнять необходимо, то в этом случае надо уменьшить вес вертолета.

Мы рассмотрели разновидности взлета вертолета, и переходим к горизонтальному полету.

3.2 Горизонтальный полет

В реферате мы более подробно рассмотрим горизонтальный полет, так как это основной режимы полета.

Горизонтальным полетом вертолета называется прямолинейный полет с постоянной скоростью в горизонтальной плоскости. Это основной режим для вертолета. Так как земля является шаром, то полет на постоянной высоте происходит по криволинейной траектории. Но радиус кривизны земной поверхности настолько велик, что кривизной земной поверхности при полете можно пренебречь.

В горизонтальном полете на вертолет действуют силы: У подъемная сила, Р движущая сила, Sб боковая сила, G веса вертолета, тяги несущего винта Т, вредного сопротивления Хвр, тяги рулевого винта Трв.

Условия горизонтального полета выражаются следующими равенствами:

Y = G или G-Y = 0;

Р=Хвр или Р-Хвр = 0;

Tрв=Sб или Tрв-Sб=0;

цт=0. Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 89.

вертолет несущий винт

Первое условие обеспечивает постоянство высоты полета, второе--постоянство скорости, третье -- линейность полета в горизонтальной плоскости.

Заключение

В этом реферате мы рассмотрели механику полета вертолета. Для раскрытия этой темы мы рассмотрели включить общую характеристику вертолета, а также основные составляющие движения вертолета: взлет и полет. Главный же акцент в реферате я сделал на основные характеристики несущего винта, так как мы могли убедиться, что основную работу вертолета выполняет именно этот элемент.

В заключении хочу сказать, что главными задачами было популярно изложить текст, который был написан в большинстве статей и книг слишком «сухо», и связать характеристики, классификации и прочее, в одно целое, реферат. И эти проблемы, по моему мнению, были решены.

Список литературы

1. Базов Д.И. Аэродинамика вертолетов. М.: «Транспорт», 1969. С. 196.

2. Гессоу А. и Мейерс Г. Аэродинамика вертолета. / Пер. В.И.Бирюлин. М.: Государственное Издательство Оборонной Промышленности, 1954. С. 254.

3. Загордан А.М. Элементарная теория вертолета. М.: Военное Издательство Министерства Обороны Союза ССР, 1955. С. 216.

4. Электронная энциклопедия Википедия. Вертолет. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%BE%D0%BB%D1%91%D1%82. - Данные соответствуют 29.03.10.

5. Основные параметры, характеризующие несущий винт. http://acv179672006.narod.ru/history3-1.htm. - Данные соответствуют 29.03.10.

Размещено на Allbest.ru