ТРУБЧАТОЕ ПОЛОЗКОВОЕ ШАССИ ВЕРТОЛЕТА

Полезная модель относится к области устройств авиационной техники, в частности, к области трубчатых полозковых шасси вертолетов.
Полозковое шасси вертолета предназначено для поглощения кинетической энергии посадочного удара. При обычной посадке скорость соударения вертолета с посадочной площадкой незначительна и усилия, воспринимаемые консолями полозкового шасси, незначительно превосходят стояночные. Однако, при выполнении авторотационной посадки (в дальнейшем - посадки) возможны значительные перегрузки, вследствие чего деформации материала рессор могут находиться в пластической зоне, а шасси в этом случае является жертвенным агрегатом и именно на такой случай проектируется полозковое шасси вертолета. При выполнении посадки со значительными перегрузками вертолет отскакивает от посадочной поверхности и ударяется вновь, т.е. происходят два последовательных посадочных удара.
В настоящее время установлено, что второй из двух последовательных посадочных ударов (в дальнейшем - второй удар) может быть более опасным, чем первый (Михайлов С.А., Короткое Л.В., Алимов С.А., Неделько Д.В. Моделирование посадки вертолета на полозковом шасси с учетом второго посадочного удара // Изв. вузов Авиационная техника. 2011. №3. С. 13-16).
В процессе первого из двух последовательных посадочных ударов (в дальнейшем - первого удара) кинетическая энергия вертолета поглощается рессорами полозкового шасси при их обжатии (прямом ходе), но затем возвращается при распрямлении (обратном ходе) рессор, однако, возвращенная энергия меньше поглощенной вследствие рассеивания (необратимого поглощения) за счет трения и пластических деформаций.
Доля кинетической энергии, которая не рассеивается на первом посадочном ударе, рассеивается на втором. Объяснение того, что второй посадочный удар может быть более опасным, чем первый, следующее: первый удар воспринимается одновременно двумя рессорами, а второй только одной (вследствие поворота вертолета) и, если доля кинетической энергии, рассеянной на первом ударе, незначительна, то усилие, воспринимаемое консолями рессоры, принимающей на себя второй посадочный удар, может оказаться больше, чем усилие, воспринимаемое консолями этой рессоры в процессе первого удара.
На современном уровне развития вертолетостроения вновь спроектированное шасси (новое шасси) практически всегда является модификацией исходного.
Безопасность посадки вертолета, оборудованного новым (модифицированным) шасси, должна быть подтверждена копровыми испытаниями.
Копровые испытания заключаются в сбрасывании массово-инерционного макета вертолета (МИМВ) на посадочную платформу стенда. Высота сброса и, соответственно, скорость соударения, нормируется. Однако копровыми испытаниями выявляется только факт поглощения нормируемой энергии посадочного удара, но не изменение уровня безопасности посадки. Это изменение может произойти в сторону снижения уровня безопасности. Возможное снижение уровня безопасности посадок объясняется тем, что для нового полозкового шасси доля энергии, рассеиваемая на первом посадочном ударе, может оказаться ниже, чем для исходного (не модифицированного) шасси.
Наиболее опасным посадочным случаем является посадка на поверхность с очень низким коэффициентом трения (например, посадка на лед или обледеневшую бетонную площадку), поскольку силы трения в этом случае в поглощении энергии практически не участвуют и поглощение происходит только за счет пластических деформаций рессоршасси.
Если величина пластических деформаций, возникающих в процессе первого посадочного удара нового шасси, меньше величины пластических деформаций, возникающих в процессе первого удара исходного шасси (это возможно, например, в том случае, когда новое шасси изготовлено из материала с более высоким значением предела текучести), то для нового шасси доля энергии, рассеянная в процессе первого посадочного удара, будет меньше, чем для исходного и, соответственно, увеличится доля энергии, которую шасси будет вынужденно поглощать в процессе второго, более опасного удара, что приведет к снижению уровня безопасности посадки.
Отсюда следует, что новое полозковое шасси должно быть доработано исходя из условия повышения уровня безопасности выполнения посадки с учетом двух последовательных посадочных ударов.
Повышение уровня безопасности выполнения посадки в процессе именно второго удара заключается в снижении доли кинетической энергии вертолета, которую необходимо рассеять на втором ударе, что достигается увеличением рассеивания энергии на первом ударе.
В настоящее время при проектировании вертолетов сложилась практика подтверждения безопасности посадки только для первого посадочного удара, несмотря на то, что в Авиационных правилах (АП.29) (нормативно-технический документ, в котором в концентрированном виде отображен опыт теоретических и экспериментальных исследований в области проектирования, разработки и эксплуатации вертолетов) отмечена опасность второго посадочного удара.
Но даже если подтверждена безопасность посадки копровым сбросом для двух последовательных посадочных ударов, то снижение уровня безопасности посадок вертолетов на новом шасси по сравнению с исходным (если оно имеет место) выявлено не будет: испытания покажут только то, что новое шасси способно поглотить нормированную кинетическую энергию посадочного удара.
В практике конструкторских разработок модификацию исходного полозкового шасси (создание нового) обычно производят исходя не из условия повышения уровня безопасности выполнения посадок, а из каких-либо других условий (например, из условия снижения веса шасси или повышения стойкости к коррозии, или при увеличении посадочной массы вертолета) и при этом уровень безопасности посадок может быть снижен.
Особенностью вертолетов является относительно высокое положение их центров тяжести относительно посадочной площадки, что способствует переворачиванию при отскоке. Переворачивание вертолета приводит к гибели или травмированию людей, при этом несущая способность шасси оказывается неисчерпанной.
Из изложенного следует, что при модификации полозкового шасси вертолета следует исходить не только из условия способности шасси поглотить нормированную энергию посадочного удара, но и из условия способности рассеять большую (чем исходное шасси) долю кинетической энергии в процессе первого из двух последовательных посадочных ударов.
Расчетная оценка способности рессоры рассеивать кинетическую энергию в процессе первого посадочного удара предложена в работе Неделько Д.В. Энергетический анализ работоемкости рессор полозкового шасси вертолета по результатам копровых испытаний (Научно-технический вестник Поволжья. 2012. №2, Казань, С. 255-260), где введен коэффициент, характеризующий эффективность рассеяния энергии (в дальнейшем - коэффициент эффективности) в процессе первого посадочного удара.
Коэффициент эффективности принимает значение от нуля до двух. При значении коэффициента эффективности, равном нулю, рассеивание кинетической энергии отсутствует, а при значении, равном двум, - вся кинетическая энергия рассеивается.
Чем большее значение принимает данный коэффициент, тем больше доля энергии, рассеиваемая в процессе первого из двух последовательных посадочных ударов и, соответственно, тем выше уровень безопасности посадки (при условии отсутствия снижения несущей способности).
Коэффициент эффективности равен
где  - возвращенная в конце первого посадочного удара кинетическая энергия;
- рассеянная в конце первого посадочного удара энергия.
Концом первого из двух последовательных посадочных ударов является момент времени, когда при обратном ходе (распрямление рессор после обжатия) все консоли отрываются от посадочной поверхности.
Рассеянная в конце первого удара кинетическая энергия численно равна работе, совершенной реакциями консолей в процессе первого посадочного удара (трение отсутствует, поскольку рассматривается наиболее тяжелый случай посадки на лед или обледеневшую поверхность).
Учитывая, что   выражение (1) может быть записано в следующем виде
где  - кинетическая энергия МИМВ в момент его соударения с платформой стенда;
где  - эффективная масса вертолета;
g - ускорение свободного падения;
h - высота сброса, задаваемая нормативно.
Из формулы (2) следует, что для определения коэффициента эффективности достаточно определить рассеянную энергию, равную работе сил реакций консолей в процессе первого посадочного удара.
Для определения работы сил реакций необходимо определить величины этих реакций и величины перемещений консолей рессор в процессе первого посадочного удара. Определение этих величин расчетом не является достаточно достоверным ввиду сложности процесса пластического деформирования материала рессор, кроме того, для расчета необходимо наличие лицензионных программных комплексов, высококвалифицированных специалистов и значительных компьютерных ресурсов, вследствие чего целесообразно данные величины определять экспериментально путем копрового сброса.
Известно техническое решение, заключающееся в изготовлении полозков из круглых труб, имеющих вертикальную внутреннюю стенку, проходящую через плоскость симметрии трубы и утолщающуюся в районе ее перехода в цилиндрическую поверхность трубы или заключающееся в изготовлении полозков из круглых труб, имеющих утолщение в верхней и нижней частях цилиндрической поверхности (патент WO 97/35762). (прототип). Однако такое решение направлено на повышение ресурса полозка (поскольку при посадках полозок может иметь значительные деформации в районе его стыковки с рессорой), но не на повышение уровня безопасности посадок.
Общеизвестное техническое решение, принятое за прототип, направленное на повышение уровня безопасности посадок вертолетов, оборудованных полозковым шасси, заключается в увеличении толщины стенок рессор полозкового шасси.
Недостатками такого решения является увеличение массы шасси и повышение его жесткости. Увеличение жесткости шасси приведет к увеличению усилий, передаваемых с шасси на фюзеляж, в результате чего может потребоваться усиление узлов навески шасси и продольно-поперечных силовых элементов фюзеляжа. Кроме того, увеличение усилий, передаваемых с шасси на фюзеляж, увеличивает вероятность получения травм пассажирами и членами экипажа. Увеличение толщины стенок рессор может привести к значительному снижению величины пластических деформаций материала рессор, возникающих в процессе первого посадочного удара, что при посадке на поверхность с очень низким коэффициентом трения приведет к значительному снижению доли энергии, рассеваемой в процессе первого посадочного удара, и, соответственно, к увеличению доли энергии, которое шасси будет вынужденно рассеять в процессе более опасного второго удара, что увеличивает вероятность переворачивания вертолета (особенно в наиболее опасном посадочном случае: посадке на поверхность с низким коэффициентом трения). При этом увеличение нагрузок, воспринимаемых консолями рессор шасси, может оказаться не скомпенсированным увеличением несущей способности рессоры.
Задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в создании такого полозкового шасси вертолета, которое будет превосходить существующие по уровню безопасности выполнения авторотационных посадок, а именно повышение его несущей способности.
1
2
В заявляемой полезной модели технический результат достигается тем, что в трубчатом полозковом шасси вертолета, содержащем переднюю и заднюю рессоры с исходной толщиной стенки трубы рессоры 5, соединенные полозками, при этом верхняя часть трубы рессоры шасси на секторе, определяемом углом  относительно вертикальной оси увеличена до толщины стенки δ равной 1,1÷1,2δ, а толщина стенки трубы рессоры δ на секторе 2π-2α уменьшена в 1,1÷1,2δ раз, при этом переход толщины выполнен плавным.
Технический результат-повышение уровня безопасности выполнения посадки, получен за счет усиления верхней части сечения рессор полозкового шасси и ослабления остальной части, что позволяет повысить несущую способность рессор и одновременно уменьшить долю энергии, поглощаемой в процессе второго, более опасного из двух последовательных ударов. Повышение несущей способности достигается за счет увеличения толщины трубы рессоры в верхней части сечения (это приводит к тому, что напряжения, действующие в сжатой зоне уменьшаются, а критические напряжения местной потери устойчивости возрастают), при этом снижение доли энергии, поглощаемой в процессе второго удара, достигается за счет увеличения доли, поглощаемой в процессе первого удара, что обеспечивается уменьшением толщины трубы рессоры в остальной части сечения. Это приводит к увеличению величины пластических деформаций в растянутой зоне, но не приводит к снижению несущей способности, поскольку в растянутой зоне рессора имеет многократный запас прочности.
Полезная модель поясняется чертежами:
- на Фиг.1 представлено поперечное сечение рессоры полозкового шасси;
- на Фиг.2 представлено поперечное сечение рессоры модифицированного полозкового шасси.
- на Фиг.3 представлена рессора исходного (не модифицированного) полозкового шасси, разрушившаяся при копровых испытаниях.
Известно, что разрушение рессор полозкового шасси при посадке происходит за счет местной потери устойчивости в сжатой зоне поперечного сечения рессор, причем при деформациях в несколько раз меньших, чем те деформации, при которых рессора разрушилась бы в растянутой зоне (например, для рессоры трубчатого сечения размерами 80×2,5, изготовленной из материала 30ХГСНА, местная потеря устойчивости произошла при деформациях равных 1,45%, в то время как в растянутой зоне разрушение происходит при деформациях приблизительно равных 6%). Причем разрушение происходит в тех волокнах, которые приблизительно соответствуют углу на секторе  относительно вертикальной осина котором как раз и предлагается усилить сечение рессор, что видно из Фиг. 3.
В заявляемой полезной модели повышение уровня безопасности достигается за счет изменения сечения трубы рессоры. Вследствие предлагаемого изменения трубчатого сечения рессоры упругопластические деформации, возникающие в процессе грубой авторотационной посадки, в сжатой зоне уменьшаются, а критические напряжения местной потери устойчивости возрастают, что обеспечивает повышение несущей способности рессоры. В растянутой зоне упругопластические деформации возрастают, что увеличивает рассеяние кинетической энергии в процессе первого посадочного удара по сравнению с исходным шасси. Увеличение величины упругопластических деформаций в растянутой зоне не приводит к снижению несущей способности рессор полозкового шасси вследствие того, что труба имеет многократный запас прочности в растянутой зоне. Таким образом, одновременно увеличивается и несущая способность полозкового шасси и доля кинетической энергии, рассеиваемая в процессе первого из двух последовательных посадочных ударов. В качестве поясняющего примера в табл.1 ÷ табл.3 представлены результаты копровых испытаний трубчатого полозкового шасси легкого многоцелевого вертолета.
Таблица 1
Исходное (модифицируемое) шасси
Сжатая зона
Растянутая зона
Действующие деформации, %
Разрушающие деформации, %
Действующие деформации, %
Разрушающие деформации, %
1,45
1,45
1,45
6,00
Таблица 2
Модифицированное шасси (δ<sub>1</sub>=δ; δ<sub>2</sub>=δ-0,1δ)
2α, град
Сжатая зона
Растянутая зона
Действующие деформации, %
Разрушающие деформации, %
Действующие деформации, %
Разрушающие деформации, %
90
1,35
1,74
1,52,
6,0
100
1,34
1,74
1,53
6,0
110
1,34
1,74
1,53
6,0
110
1,33
1,74
1,54
6,0
Таблица 3
Модифицированное шасси (δ<sub>1</sub>=δ; δ<sub>2</sub>=δ-0,2δ)
2α, град
Сжатая зона
Растянутая зона
Действующие деформации, %
Разрушающие деформации, %
Действующие деформации, %
Разрушающие деформации, %
90
1,39
1,60
1,50
6,0
100
1,39
1,60
1,51
6,0
ПО
1,39
1,60
1,52
6,0
ПО
1,37
1,60
1,52
6,0
Где δ - толщина стенки рессоры исходного шасси;
1
δ - толщина верхней стенки модифицированного шасси на секторе ;
2
δ - толщина нижней стенки модифицированного шасси на секторе 2π-2α.
Полезную модель осуществляют следующим образом:
1
На стенде для проведения копровых испытаний полозкового шасси вертолета производится копровый сброс МИМВ, оборудованного модифицированным полозковым шасси с толщиной стенки рессоры δ=(1,1÷1,2)δ на секторе, определяемом углом  относительно вертикальной оси, а толщину остальной части сечения на секторе 2π-2α уменьшают на 10%, 20% и т.д.
1
2
Для каждого испытания с толщиной стенки δ=(1,1÷1,2)δ, которая остается постоянной, а при этом меняется δ, рассчитывают коэффициент эффективности (текущий коэффициент эффективности). Сравнивают текущие коэффициенты эффективности с коэффициентом эффективности исходного шасси.
Если текущий коэффициент эффективности больше исходного, то сечение труб рессор, соответствующее текущему коэффициенту эффективности, является искомым.
Сечение трубы рессоры на секторе 2π-2α является искомым (при этом сечение трубы на секторе  относительно вертикальной оси остается постоянным), если найденный для него коэффициент эффективности больше коэффициента эффективности исходного шасси.
Угол  выявлен экспериментально (показан на Фиг. 3). Именно на этом участке действующие напряжения достигают критических значений, приводящих разрушению рессоры.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна», так как из известных и общедоступных источников информации не выявлено аналогичное техническое решение.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «техническая применимость», так как может выполнено из известных материалов и известными способами.