АВТОЖИР
GYROPLANE

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к одному из видов винтокрылых летательных аппаратов - автожиру.
Автожиры могут применяться в условиях безаэродромного базирования, когда применение самолетов невозможно из-за отсутствия подготовленной взлетно-посадочной полосы для взлета и посадки, а применение вертолетов чрезмерно дорого. Для обеспечения безаэродромной эксплуатации автожир должен иметь конструкцию, позволяющую осуществить взлет с места (прыжковый взлет) и точечную посадку.
Известен автожир С-30 (Жабров, Автожир и геликоптер, 1939 г., главы VI-VII), состоящий из кабины с размещенными в ней органами управления, шасси, оперения, несущего винта, включающего в себя лопасти и втулку несущего винта с зубчатым колесом, силовой установки, включающей двигатель и маршевый винт, механической трансмиссии для стартовой раскрутки несущего винта, включающей вал, передающий крутящий момент на зубчатое колесо втулки несущего винта, и управляемую фрикционную муфту, соединяющую вал с двигателем через угловой редуктор.
Основной причиной, не позволяющей реализовать в данной конструкции автожира короткий и прыжковый взлет, является отсутствие механизма управления общим шагом несущего винта: из-за невозможности обеспечения нулевой подъемной силы несущего винта исключается возможность стартовой раскрутки несущего винта до оборотов, достаточных для выполнения прыжкового взлета из-за уменьшения реакций шасси и уменьшения трения опор, противодействующего реактивному моменту несущего винта. Кроме того, исключена возможность создания прироста тяги несущего винта, превышающей вес автожира.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является автожир Р.Хафнера, состоящий из кабины с размещенными в ней органами управления, шасси, оперения, несущего винта, включающего в себя лопасти и втулку несущего винта с зубчатым колесом и механизмом управления общим шагом лопастей, обеспечивающим диапазон изменения углов установки лопастей от минимального угла, при котором на режиме стартовой раскрутки несущего винта не создается подъемной силы, до угла, при котором создается подъемная сила, превышающая вес автожира, органа управления общим шагом лопастей несущего винта с возможностью фиксации в полетном положении, силовой установки, включающей двигатель и маршевый винт, механической трансмиссии для стартовой раскрутки несущего винта, включающей вал, передающий крутящий момент на зубчатое колесо втулки несущего винта и управляемую фрикционную муфту, соединяющую вал с двигателем через угловой редуктор (Жабров, Автожир и геликоптер, 1939 г., главы VI-VII).
Конструкция автожира Хафнера имеет ряд недостатков, препятствующих безопасному и эффективному выполнению короткого и прыжкового взлета.
Первый недостаток заключается в неуправляемом соединении вала раскрутки с губчатым колесом втулки несущего винта. Вследствие этого в случае неразмыкания фрикционной муфты может быть произведен взлет при наличии подвода мощности в результате ошибки пилотирования или отказа, что может привести к аварии из-за отсутствия у автожиров средств парирования крутящего момента несущего винта, а также, возможности заклинивания трансмиссии в полете, возможности заклинивания ротора, повышенному нагреву и износу непрерывно вращающихся деталей трансмиссии.
Механическое управление фрикционной муфтой через проводку управления посредством перемещения рычага рукой пилота и раздельное управление мощностью двигателя и положением общего шага приводит к уменьшению эффективности выполнения взлета из-за больших по отношению к выбегу ротора затрат времени между размыканием трансмиссии и началом увеличения общего шага. Для выполнения взлета производят определенную последовательность действий, требующих затрат времени (размыкание фрикционной муфты, перенос руки на рычаг управления мощностью двигателя и увеличение мощности двигателя, перенос руки пилота на рычаг увеличения общего шага, увеличение общего шага). Другой рукой пилот в это время контролирует положение ручки управления автожиром. За время этих действий частота вращения несущего винта после прекращения подвода мощности успевает существенно снизиться, что резко уменьшает эффективность взлета, в первую очередь прыжкового.
В процессе обжатия дисков фрикционной муфты до момента постановки рычага управления муфтой на фиксатор пилот не может контролировать режим работы двигателя и положение общего шага, так как обе руки пилота заняты органами управления автожиром и рычагом включения фрикционной муфты, что снижает безопасность выполнения взлета.
Отсутствие блокировки между положением рычага общего шага и фактическим состоянием трансмиссии создает угрозу выполнения стартовой раскрутки при полетном положении общего шага и, как следствие, уменьшения реакций на опоры шасси, препятствующих реактивному моменту несущего винта при увеличении подъемной силы несущего винта, а также повышенные нагрузки на трансмиссию из-за увеличения крутящего момента.
Задачей данного изобретения является создание такой конструкции автожира, которая позволит повысить эффективность короткого и прыжкового взлета и увеличить его безопасность.
Увеличение эффективности короткого и прыжкового взлета и увеличение его безопасности достигается за счет сокращения времени, необходимого на размыкание трансмиссии и выполнение манипуляций органами управления на этапе между достижением необходимых оборотов несущего винта и увеличением общего шага для выполнения взлета, увеличение надежности размыкания трансмиссии, исключения нештатных комбинаций положений органов управления системами автожира, обеспечивая возможности контроля пилотом всех систем автожира на этапе выполнения прыжкового и короткого взлета за счет объединения органов управления разными системами.
Данный автожир состоит из кабины с размещенными в ней органами управления, шасси, оперения, несущего винта, силовой установки, включающей двигатель и маршевый винт, и механической трансмиссии для стартовой раскрутки несущего винта.
Несущий винт включает в себя лопасти и втулку несущего винта с зубчатым колесом и механизмом управления общим шагом лопастей, связанным с органом управления общим шагом несущего винта, имеющим возможность фиксации в полетном положении. Механизм управления общим шагом лопастей несущего винта обеспечивает диапазон изменения углов установки лопастей от минимального угла, при котором на режиме стартовой раскрутки несущего винта не создается подъемной силы, до угла, при котором создается подъемная сила, превышающая вес автожира.
Механическая трансмиссия включает в себя вал, передающий крутящий момент на зубчатое колесо втулки несущего винта, и управляемую фрикционную муфту, соединяющую вал с двигателем через угловой редуктор.
Для достижения поставленной технической задачи трансмиссия автожира снабжена управляемой шестеренчатой муфтой, соединяющей вал с зубчатым колесом втулки несущего винта и системой быстрого отключения фрикционной муфты при достижении стартовых оборотов несущего винта, при этом управление шестеренчатой муфтой снабжено устройством блокировки, исключающим ввод в зацепление шестеренчатой муфты при углах шага лопастей, отличных от минимальных.
Систему быстрого отключения фрикционной муфты целесообразно выполнить в виде гидроцилиндра, полость которого выполнена заодно с корпусом фрикционной муфты, поршень соединен с дисками фрикционной муфты, подача и сброс давления осуществляются через связанный со сливом управляемый быстродействующий клапан, при этом в полости фрикционной муфты установлен датчик давления, связанный системой сигнализации включенного состояния фрикционной муфты. Управляемый быстродействующий клапан может быть выполнен электрическим, а управление им может быть реализовано посредством кнопки, устанавливаемой на органе управления автожиром.
Целесообразно также органы управления общим шагом несущего винта и мощностью двигателя объединить и выполнить в виде рычага, связанного с системой управления общим шагом несущего винта, причем рычаг оснащен поворотной рукояткой, связанной с регулятором мощности двигателя. Перемещение рычага в вертикальном направлении изменяет общий шаг несущего винта, а поворот рукоятки изменяет режим работы двигателя.
Это позволяет повысить эффективность выполнения взлета, так как данные конструктивные решения существенно сокращают время, необходимое для выполнения операций между моментом размыкания трансмиссии до момента увеличения общего шага (в частности, довести это время до 1-2 секунд), что позволяет сохранить высокие обороты несущего винта к моменту взлета по сравнению с прототипом и, таким образом, достичь большей высоты подъема, взять большую полезную нагрузку, сократить время, потребное для восстановления частоты вращения несущего винта до полетного значения после взлета. Гидравлическое управление фрикционной муфтой позволяет обеспечить постоянство подводимого крутящего момента к несущему винту.
Кроме этого увеличивается безопасность выполнения взлета, так как достигается непосредственное размыкание механической части трансмиссии путем вывода из зацепления управляемой шестеренчатой муфты, передающей крутящий момент на зубчатое колесо втулки несущего винта. Увеличение безопасности обеспечивается также наличием блокировки общего шага на минимальном угле при включенной трансмиссии и наличием сигнализации, информирующей пилота о фактическом состоянии трансмиссии (включенном или выключенном), предупреждающей размыкание шестеренчатой муфты под нагрузкой. Предлагаемые конструктивные решения снижают напряженность работы пилота в кабине за счет сокращения органов управления: объединения органа управления мощностью двигателя и общим шагом несущего винта в одном рычаге, организации управления быстродействующим клапаном для подачи давления гидросмеси во фрикционную муфту с помощью кнопки, выведенной на орган управления автожиром. Благодаря этому обеспечивается одновременный контроль положения общего шага несущего винта, мощности двигателя при выполнении стартовой раскрутки и величины подводимого к несущему винту крутящего момента, а также обеспечивается возможность экстренного размыкания трансмиссии под нагрузкой в случае развития нештатной ситуации при выполнении стартовой раскрутки.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими схемами и чертежами.
Фиг.1 - Устройство автожира.
Фиг.2 - Схема фрикционной муфты трансмиссии автожира.
Фиг.3 - Размещение органов управления общим шагом несущего винта, мощностью силовой установки и рычага включения шестеренчатой муфты в кабине автожира.
Фиг.4 - Порядок включения трансмиссии, состояние «1» (исходное выключенное состояние трансмиссии).
Фиг.5 - Порядок включения трансмиссии, состояние «2» (ввод в зацепление шестеренчатой муфты).
Фит.6 - Порядок включения трансмиссии, состояние «3» (включение трансмиссии, начало раскрутки).
Фиг.7 - График изменения общего шага при выполнении прыжкового взлета.
Фиг.8 - График изменения обжатия амортизационной стойки шасси при выполнении прыжкового взлета.
Фиг.9 - График изменения частоты вращения несущего винта при выполнении прыжкового взлета.
Автожир (фиг.1, 2) состоит из кабины 1 с размещенными в ней органами управления, шасси 2, оперения 3, несущего винта, включающего в себя втулку несущего винта 4, оснащенную зубчатым колесом 5, механизмом управления общим шагом 6 лопастей 7, силовой установки, состоящей из двигателя 8 и маршевого винта 9, и трансмиссии, с помощью которой осуществляется стартовая раскрутка несущего винта. Трансмиссия включает в себя вал 10, передающий крутящий момент на зубчатое колесо втулки несущего винта, управляемую фрикционную муфту 11, обеспечивающую плавность включения трансмиссии, угловой редуктор 12 и управляемую шестеренчатую муфту 13, с помощью которой крутящий момент с вала 10 передается на зубчатое колесо 5. Ввод в зацепление и вывод из зацепления шестеренчатой муфты 13 обеспечивается рычагом 14. Основным конструктивным элементом фрикционной муфты 11 являются фрикционные диски 15, сжатие которых для передачи крутящего момента осуществляется поршнем 16 под действием давления Р гидросмеси 17, подаваемой в гидропривод фрикционной муфты и сливаемой из него с помощью быстродействующею электрического клапана 18. Управление клапаном 18 может осуществляться с помощью кнопки 19, размещенной на органе управления автожиром. Определение фактического давления в гидроприводе фрикционной муфты осуществляется с помощью датчика 20. В кабине 1 размещен рычаг 21, имеющий поворотную рукоятку 22, предназначенный для управления общим шагом несущего винта и режимом работы двигателя (фиг.3).
Изменение общего шага осуществляется путем перемещения рычага 21 в вертикальном направлении, а изменение режима работы двигателя - поворотом рукоятки 22.
На фиг.3 отмечены следующие положения рычага общего шага 21:
а - положение минимального угла общего шага, при котором несущим винтом не создается подъемной силы (рычаг может фиксироваться в этом положении);
b - полетное положение общего шага (рычаг может фиксироваться в этом положении):
с - положение, соответствующее максимальному значению общего шага (фиксация рычага в этом положении исключена).
Системы автожира работают следующим образом (фиг.4, 5, 6).
Включение трансмиссии производится в следующей последовательности: ввод в зацепление шестеренчатой муфты, затем плавное включение фрикционной муфты, а выключение в обратном порядке - выключение фрикционной муфты и затем выключение шестеренчатой муфты после прекращения подачи крутящего момента на несущий винт.
Исходному состоянию трансмиссии (состояние «1») соответствует положение «а» рычага общего шага 21 (фиг.3), при этом шестеренчатая муфта 13 в зацепление не введена (рычаг 14 находится в положении, соответствующем разомкнутому состоянию шестеренчатой муфты), давление в гидроприводе фрикционной муфты 11 отсутствует, фрикционные диски 15 не контактируют друг с другом. Двигатель автожира работает.
Состояние «2» соответствует вводу в зацепление шестеренчатой муфты 13. При этом рычаг 14 находится в положении, соответствующем введенному в зацепление положению шестеренчатой муфты. Ввод в зацепление блокируется в случае, если рычаг общего шага находится в положении, отличном от положения минимального шага «а».
Давление в гидроприводе фрикционной муфты 11 отсутствует.
В состояниях «1» и «2» сигнализация, работающая от датчика давления 20 (фиг.2), информирует об отсутствии давления в гидроприводе фрикционной муфты, что разрешает выполнение манипуляций с шестеренчатой муфтой.
Состояние «3» соответствует включению трансмиссии.
Рычаг общего шага 21 находится в положении «а», шестеренчатая муфта 13 введена в зацепление. Управление подачей давления Р в гидропривод фрикционной муфты 11 осуществляется путем включения быстродействующего электрического клапана 18 (например, с помощью нажатия на кнопку 19). После включения электрического клапана 18 в полость гидропривода фрикционной муфты 11 начинает поступать гидросмесь 17, оказывающая давление на поршень 16 (при этом сигнализация, работающая от сигнала датчика давления 20, меняет свое состояние, запрещая манипуляции с шестеренчатой муфтой). Под действием поршня 16 неподвижные фрикционные диски 15 со стороны углового редуктора входят в соприкосновение с вращающимися дисками со стороны двигателя 8. Под действием момента сил трения, обусловленного осевым усилием прижима дисков, крутящий момент с двигателя 8 через угловой редуктор 12, вал 10 и зубчатое зацепление, состоящее из шестеренчатой муфты 13 и зубчатого колеса втулки несущего винта 5, передается на несущий винт. Удерживая клапан 18 во включенном состоянии, производят раскрутку несущего винта до необходимых оборотов.
В процессе раскрутки, когда имеется давление в гидроприводе фрикционной муфты, сигнализация находится в состоянии, запрещающем выполнение манипуляций с шестеренчатой муфтой. Сигнализация выполняет функцию информирования пилота о наличии давления в гидроприводе, но не блокирует рычаг 14 размыкания шестеренчатой муфты 13. Такое устройство определяется требованиями безопасности, обусловленными необходимостью обеспечения пилоту возможности быстрого прекращения подвода крутящего момента к несущему винту автожира при развитии нештатной ситуации, невзирая на наличие нагрузки.
После достижения необходимой частоты вращения несущего винта трансмиссию размыкают в обратном порядке и выполняют прыжковый или укороченный взлет:
- выключают электрический клапан (например, отпустив кнопку 19), в результате чего происходит быстрый сброс давления в гидроприводе фрикционной муфты;
- после прекращения подвода мощности, о чем свидетельствует изменение состояния сигнализации, работающей от датчика давления 20, рычагом 14 выводят шестеренчатую муфту 13 из зацепления;
- увеличивают общий шаг лопастей несущего винта с помощью рычага 21 (фиг.3). Возможность увеличения общего шага лопастей при введенной в зацепление шестеренчатой муфте исключается с помощью устройства блокировки;
- одновременно с работой рычагом общего шага производят необходимое управление мощностью силовой установки с помощью поворотной рукоятки 22 (фиг.3).
Указанное конструктивное решение реализовано в автожире А-002М (ОАО «Корпорация «ИРКУТ»).
На фиг.7-9 приведены графики изменения полетных параметров при выполнении прыжкового взлета. Фактические данные летного эксперимента показывают, что принятые конструктивные решения позволяют реализовать на автожире режим прыжкового взлета.
Графики соответствуют участку записи выполнения одного из типовых прыжковых взлетов на автожире А-002М от момента начала увеличения общего шага до момента взлета.
Стартовая раскрутка несущего винта выполнялась до частоты вращения несущего винта 390 об/мин.
Интервал времени между моментом выключения шестеренчатой муфты и началом увеличения общего шага составляет 2 с, за это время частота вращения снижается с 390 об/мин до 350 об/мин. Таким образом, сокращение времени между размыканием трансмиссии и началом увеличения общего шага играет весьма важную роль с точки зрения возможности реализации режима прыжкового взлета.
На фиг.7 приведен график изменения общего шага.
На фиг.8 приведен график изменения частоты вращения несущего винта.
Из графика следует, что при увеличении общего шага происходит снижение частоты вращения несущего винта на 50 об/мин к моменту отрыва и затем снижение частоты вращения несущего винта продолжается (до 250 об/мин).
На фиг.9 приведен график изменения обжатия амортизационной стойки шасси. Из графика следует, что взлет происходит через 2 с после начала увеличения общего шага, практически одновременно с достижением максимального значения угла общего шага.
Таким образом, предлагаемые конструктивные решения позволяют уменьшить время между моментом достижения взлетных оборотов несущего винта и началом увеличения общего шага с (4…5) с и больше до 2 с. Кроме того, получение как можно большего запаса частоты вращения несущего винта между стартовыми оборотами раскрутки после прекращения подвода мощности и моментом начала увеличения общего шага является важным параметром, определяющим безопасность, так как в случае чрезмерного снижения частоты вращения не обеспечивается режим авторотации и управляемость автожира.