ВНЕШНЯЯ ПОДВЕСКА ВЕРТОЛЕТА ДЛЯ КРУПНОГАБАРИТНОГО ГРУЗА

Предлагаемое техническое решение относится к авиационной технике, а именно к оборудованию вертолетов, предназначенному для транспортирования и сброса крупногабаритного груза с внешней подвески в полете.
В начале 60-х годов в КБ Главного конструктора космических кораблей Г.Н. Бабакина для отработки систем мягкой посадки возвращаемых аппаратов начали применять вертолеты. Ввиду повышенной секретности тех работ информация об использованных технических средствах не доступна. В настоящее время возобновляются полеты вертолетов по тестированию систем возвращения нового космического корабля «Федерация». Предусмотрено выполнение нескольких десятков сбросов макетов корабля с внешней подвески вертолета Ми-26 на высоте до 5 км, при которых будут произведены испытания парашютных систем. Проверка нового оборудования будет выполняться на полигоне в Крыму (https://iz.ru/701770/dmitrii-stmgovetc/nachinaiutsia-ispvtaniia-sistem-vozvrashcheniia-kosmonavtov-s-luny). При сбросе макетов массой 9-11 т в полете со скоростью до 170 км/ч (максимальной допустимой для той высоты) будут отрабатываться и новые варианты безопасных внешних подвесок вертолетов. Общим их недостатком, снижающим безопасность полетов, является возможность непредсказуемого поведения после сброса тяжелого груза, т.к. натянутые канаты при мгновенной разгрузке могут опасно сблизиться с винтами вертолета.
До сих пор отцепка от внешней подвески вертолета выполнялась, как правило, после установки груза на опорную поверхность (земля, фундамент или другие проектные отметки) на завершающем этапе транспортирования или выполнения его монтажа. Отцепка груза всегда осуществляется электрозамками или вручную только при ослабленных канатах, когда в них уже не действуют силы упругости. Это безопасно для стропальщиков и проблем с забросом канатов подвески не существует.
Но в нашей практике были редкие виды работ, выполняемые путем сброса груза с внешней подвески над заданным местом (целью) при зависании вертолета над ним. В частности, при укреплении железобетонными сваями оползневых горных склонов на Кавказе и при укреплении морских берегов в Германии бетонными блоками и скальными глыбами. После сброса тех грузов за счет освободившихся сил упругости в канате его нижний конец с электрозамком взвивался вверх на 5-10 м. Поэтому для обеспечения безопасности полетов использовали канаты большой длины (до 40 м).
В связи с тем, что предстоит сбрасывать крупногабаритные и массивные грузы с внешней подвески вертолета не на висении, а в горизонтальном полете на большой скорости, вероятность сближения канатов с хвостовым винтом увеличивается за счет возможного заброса нижнего конца канатов из-за суммарного взаимодействия больших сил упругости в канатах и увеличенных аэродинамических сил от встречного потока воздуха.
Для ознакомления с опытом других отечественных организаций был проведен поиск технических решений, ослабляющих или устраняющих опасные последствия сброса груза с внешней подвески вертолетов в полете. Поиск аналогов проведен среди патентных материалов по классам МПК B64D 9/00, B64D 1/22 и B66F 11/02 в реестрах изобретений и полезных моделей с 1960 по 2019 гг. Ниже представлены результаты поиска.
Известна внешняя подвеска вертолета, содержащая верхний замок со встроенным вертлюгом, присоединенные к нему посредством переходных звеньев канат со сходящимися связями, между которыми закреплена балка с двумя грузовыми стропами, в нижних точках которых смонтированы грузодержатели (патент РФ №981206, кл. B66F 11/02, 1981 г.). К балке присоединена стабилизирующая тяга, подпружиненная относительно вертолета, за счет чего груз удерживался в заданном положении по азимуту. Это была первая отечественная система стабилизации и азимутальной ориентации груза (САО) на внешней подвеске вертолета-крана Ми-10К с учетом особенностей его конструкции. К этому времени в США уже работало несколько вариантов САО на вертолете-кране S-64, адаптированных к его конструкции (в частности, использование имеющейся лебедки на полную грузоподъемность вертолета). Такие системы обеспечивают так называемый "безлюдный" монтаж, т.е. наведение, стыковку и установку грузов без присутствия людей в опасной зоне, что повышает безопасность работ и расширяет возможности вертолетов.
В дальнейшем появилось целое семейство САО, являющихся развитием и усовершенствованием первой отечественной. Эти внешние подвески вертолетов содержат те же существенные признаки: верхний замок, вертлюг, который может быть встроен в верхний замок (как на Ми-6 и Ми-10К) или устанавливаться отдельно, присоединенные к нему посредством переходных звеньев сходящиеся связи, к нижним концам которых прикреплена фиксируемая или поворотная по азимуту балка с двумя грузодержателями на грузовых стропах (патенты RU №2015073, кл. B64D 1/22, 1991 г.; №2028968, кл. B64D 9/00, 1992 г.; №2030332, кл. B64D 1/22, 1992 г.; №2136547, кл. B64D 9/00, 1996 г. и др.). Вследствие расположения балки с грузодержателями в непосредственной близости от фюзеляжа в поперечной плоскости вертолета, подцепка макета корабля невозможна из-за несовместимости его строповочных узлов, расположенных в продольной плоскости. За счет применения сложных схем строповки можно добиться продольного расположения груза на поперечной балке. Будет также обеспечена безопасная отцепка от груза при ослабленных канатах после его установки. Но в случае сброса массивного груза с натянутых канатов возможно забрасывание грузовых стропов с грузодержателями в опасную зону к винтам вертолета.
Известен другой аналог, например, устройство для монтажа и транспортировки груза летательным аппаратом по патенту RU №2405717, кл. B64D 1/22, 2009 г., которое содержит верхний замок с вертлюгом, присоединенные к нему посредством переходных звеньев сходящиеся связи, к нижним концам которых прикреплена стабилизирующая тяга. К ней подвешена на двух канатах балка с грузовыми стропами, в нижних точках которых установлены грузодержатели. Свободный конец стабилизирующей тяги сопрягается с закрепленным на фюзеляже громоздким направляющим устройством с возможностью перемещения в нем как вдоль, так и поперек. Балка снабжена аэродинамическим стабилизатором (килем). В результате известное устройство является САО с двумя системами стабилизации груза: механической и аэродинамической, причем первая работает постоянно (в т.ч. при нулевой скорости, на висении), а вторая - на скорости свыше 50 км/ч. Верхний этаж такой сложной двухэтажной конструкции, содержащий сходящиеся связи и стабилизирующую тягу с направляющим устройством, может разместиться только на вертолетах с большим клиренсом, например, около 1,5 м. Поэтому это устройство не актуально, т.к. в отечественной авиации уже нет таких вертолетов (все Ми-10К уже списаны), а действующие вертолеты имеют небольшой клиренс. Поскольку полеты по испытаниям макетов кораблей предстоит выполнять на вертолетах Ми-26 (клиренс около 0,5 м), известное устройство не может быть использовано. Кроме того, в нем нет решения вопроса с забрасыванием концов грузовых строп после сброса груза.
Наиболее близким аналогом, т.е. прототипом, является система внешней подвески груза к вертолету по патенту РФ №2053931, кл. B64D 9/00, 1992 г., содержащая верхний замок, вертлюг, присоединенный к нему посредством переходных звеньев канат, к которому подсоединены сходящиеся связи. Между ними закреплена балка с грузовыми стропами, в нижних точках которых установлены грузодержатели (не показаны - но это могут быть крюки, скобы или другие приспособления, открываемые вручную). В случае использования электрозамков или пироболтов (используемых в космической отрасли) к ним должны быть проложены по канатам электрокабели из кабины через вертлюг-токосъемник (как во всех САО). На заднем конце балки (на максимальном расстоянии от оси подвеса) установлен аэродинамический стабилизатор в виде киля, удерживающий балку и подсоединенный к ней длинномерный груз в горизонтальном полете в продольном положении. За счет этого обеспечивается существенное повышение скорости полета (до 200 км/ч), что может сократить время доставки груза по назначению.
Однако эта внешняя подвеска имеет недостатки. При взлете вертолета горизонтальные аэродинамические силы незначительны и стабилизация груза по курсу отсутствует. Поэтому до набора скорости полета 50 км/ч длинномерный груз, как правило, вращается (совершает несколько оборотов) под действием воздушного потока от несущего винта вертолета. Такое же происходит при торможении и укладке груза на землю. Причем в результате воздействия на киль вертикальных аэродинамических сил создается дополнительный вращающий момент. Поэтому наличие киля в известной внешней подвеске может осложнить не только взлет, но и укладку груза на землю.
Кроме того, в горизонтальном полете известная внешняя подвеска под действием встречного потока может отклониться от вертикали на угол до 30° (что обеспечено конструкцией верхнего замка и переходных звеньев). Груз, подцепленный к балке двумя грузовыми стропами, также отклонится назад на тот же угол, т.к. геометрия подвески с двумя сходящимися связями в полете не меняется. Это может привести к большому наклону груза в продольной плоскости, т.е. к выходу макета корабля из заданного на земле положения. Если в таком нерасчетном положении груза выполнить его отцепку от вертолета, то под действием нерасчетных аэродинамических сил макет корабля может выйти из диапазона устойчивости, что может привести к его вращению вокруг горизонтальной оси (кувырканию) за счет появившегося опрокидывающего момента. На самостоятельное восстановление расчетного положения в свободном полете за счет стабилизирующих моментов, обеспечиваемых аэродинамической формой макета корабля, потребуется время с потерей высоты. В результате может сорваться выполнение запланированной программы испытаний парашютной системы макета корабля.
Задачей предлагаемого решения является устранение указанных недостатков и достижение нового технического результата, заключающегося в обеспечении расчетного (заданного на земле) положения макета корабля при его сбросе независимо от угла наклона внешней подвески вертолета в полете. Кроме того, может быть повышена безопасность полетов за счет уменьшения вероятности заброса канатов к винтам вертолета.
Этот технический результат во внешней подвеске вертолета для крупногабаритного груза, содержащей верхний замок, переходные звенья, вертлюг-токосъемник, канат, балку с грузодержателями и электрокабель, проложенный из кабины вертолета вдоль каната через вертлюг-токосъемник к балке, достигается тем, что канат посредством переходных звеньев шарнирно подсоединен к балке, грузодержатели смонтированы непосредственно на балке, причем один грузодержатель выполнен управляемым из кабины, а другой грузодержатель выполнен неуправляемым с возможностью свободного отделения груза после его сброса с управляемого грузодержателя.
Управляемый грузодержатель может быть выполнен в виде электрозамка или пироболта.
Неуправляемый грузодержатель может быть выполнен в виде открытого крюка, зев которого направлен в сторону ближнего конца балки.
На нижней части каната может быть установлена гибкая трубчатая защита, а балка снабжена эластичными подушками в местах возможного соприкосновения с канатом после сброса груза.
На чертежах показана внешняя подвеска вертолета для крупногабаритного груза.
На фиг. 1 представлен общий вид вертолета с предлагаемой внешней подвеской;
на фиг. 2 - общий вид управляемого грузодержателя, выполненного в виде электрозамка, в закрытом положении;
на фиг. 3 - общий вид неуправляемого грузодержателя, выполненного в виде открытого крюка.
Внешняя подвеска вертолета 1 для крупногабаритного груза включает верхний замок 2, к которому крепится вертлюг-токосъемник 3 посредством переходных звеньев 4. К вертлюгу-токосъемнику 3 присоединен канат 5, к нижнему концу которого с помощью шарнира 6 прикреплена балка 7. На балке 7 установлены грузодержатели 8 и 9. Грузодержатель 8 установлен на переднем силовом контуре макета корабля и выполнен неуправляемым, например, в виде открытого крюка 18, зев которого направлен в сторону ближнего конца балки 7. Для повышения надежности и рассредоточения нагрузок на передний силовой контур макета корабля можно использовать несколько параллельных неуправляемых грузодержателей 8, например, два, как предусмотрено на макете корабля. Положение крюка 18 может регулироваться по длине балки 7 с помощью фиксирующих болтов 20, размещенных в прорезях 21. Грузодержатель 9 выполнен управляемым, например, в виде электрозамка, снабженного поворотным несущим рычагом 14 и запорным рычагом 15, открывающимся от соленоида через систему рычагов (не показаны). К грузодержателю 9 из кабины через вертлюг-токосъемник 3 вдоль каната 5 проложен электрокабель (не показан). На балке 7 установлен упор 17, предотвращающий перемещение электрозамка 9 в направлении к неуправляемому грузодержателю 8. На нижней части каната 5 установлена гибкая трубка 11, например, в виде гофрированного шланга, внутри которого проходит электрокабель. На балке 7 по концам сверху закреплены подушки 12 из эластичного материала.
Внешняя подвеска вертолета для крупногабаритного груза работает следующим образом. Перед полетом груз (макет корабля) 10 устанавливают на ложементе в расчетном положении, с отклонением его продольной оси от горизонта на угол α (который обеспечивается смещением ЦМ груза при сборке и необходим для снижения перегрузок на экипаж при входе в атмосферу). К грузу 10 подцепляют балку 7, используя строповочные узлы, например, скобы 16 и 19, закрепленные на переднем и заднем силовых контурах макета корабля. Подцепку можно выполнить в следующем порядке. Сначала сопрягают скобу 16 с электрозамком 9, для чего ее совмещают с ложбиной несущего рычага 14, и поворачивают его до защелкивания запорного рычага 15. Затем при ослабленных болтах 20 подводят зевом крюк 18 под скобу 19 до упора с обеспечением люфта в обоих грузодержателях, и затягивают болты 20. Посредством шарнира 6 подсоединяют канат 5 к балке 7. В качестве шарнира можно использовать штатный кардан. К электрозамку 9 подсоединяют электрокабель управления.
После взлета вертолета 1 и отрыва груза 10 от земли канат 5 под действием силы тяжести груза принимает вертикальное положение. В режиме висения вертолета груз 10 вместе с балкой 7 благодаря шарниру 6 самоустанавливается в расчетное положение. В процессе разгона груз в таком положении может совершить несколько оборотов вокруг оси подвеса. Вертлюг-токосъемник при всех вращениях и эволюциях груза обеспечивает бесперебойное питание электрозамка 9. При наборе скорости более 50 км/ч внешняя подвеска отклоняется назад на угол β, а груз 10 за счет действия аэродинамических сил устанавливается в потоке воздуха максимальным сечением - лобовым тепловым экраном вперед, т.е. в то положение, в котором он входит в плотные слои атмосферы при спуске с орбиты. При этом, несмотря на отклонение каната на угол β, сохраняется заданный на земле расчетный угол α груза. В процессе полета груз может совершать угловые колебания в диапазоне динамического равновесия, заданном геометрической формой груза и проверенном при продувках в аэродинамической трубе и при сбросах с самолетов. Вертлюг-токосъемник 3 и шарнир 6 не препятствуют и обеспечивают все колебания груза с балкой 7 во всех плоскостях.
При достижении запланированной скорости выполняют сброс груза 10. Для этого посылают сигнал к грузодержателю 9. В результате срабатывания соленоида замка 9 запорный рычаг 15 освобождает несущий рычаг 14, который под действием веса груза 10 поворачивается вниз и освобождает скобу 16 из зацепления. Груз 10, падая вниз и воздействуя на второй конец балки 7, поворачивает ее до положения, при котором скоба 19 свободно выходит из зева крюка 18. В результате происходит полная отцепка груза 10 от балки 7, оставшейся в составе внешней подвески вертолета. После отцепки груз 10 продолжает свободный полет в расчетном положении относительно набегающего потока воздуха. В расчетном положении груз находится как в начале свободного полета, так и в любой точке траектории спуска, и поэтому возможно выполнение испытаний парашютной системы.
Надежность предлагаемой системы отцепки груза проверена на моделях в лабораторных условиях. Первоначальные варианты с двумя или более управляемыми грузодержателями были признаны нецелесообразными из-за возможности неодновременного срабатывания электрозамков или пироболтов, что иногда случается в авиации и космонавтике. В этих случаях существует большая вероятность вертикальных динамических нагрузок в канате при перераспределении веса груза с нескольких на один не открывшийся грузодержатель. В предлагаемой внешней подвеске исключены вертикальные динамические нагрузки на канат, т.к. при открытии управляемого грузодержателя происходит автоматическая отцепка груза от других, неуправляемых грузодержателей, а в случае отказа управляемого грузодержателя вертолет вернется с грузом на аэродром для выяснения причин неисправности.
При проведении экспериментальных работ установлено, что балка после отцепки груза от управляемого грузодержателя своим верхним (освобожденным) концом может входить в контакт с канатом. Поэтому для обеспечения защиты каната и электрокабеля целесообразна установка гибкой гофрированной трубы, например, из армированной резины, как на внешних подвесках, используемых при вертолетной трелевке древесины. Предлагаемая внешняя подвеска несложна по конструкции, состоит из минимального количества деталей, что обеспечено размещением всех грузодержателей непосредственно на балке.
После отцепки основного груза, на нижнем конце каната остается пригруз (балка с грузодержателями) большего веса, чем у аналогов. Это может привести к снижению вероятности заброса конца каната из-за уменьшенного соотношения сил упругости в канате и силы веса пригруза, действующих в противоположных направлениях. Кроме того, при контакте верхнего конца балки с канатом после сброса груза обеспечивается встречный импульс силы, направленный против аэродинамических сил, воздействующих на канат. За счет этого также возможно ограничение амплитуды заброса конца каната. Для повышения безопасности полетов необходимо использовать канат длиной не менее 40 м.