Исследование влияния параметров груза на внешней подвеске на балансировочные характеристики вертолета

УДК 629.735.07

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГРУЗА НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ НА БАЛАНСИРОВОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРТОЛЕТА

В.В. ЕФИМОВ, В.А. ИВЧИН

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Представлены зависимости балансировочных характеристик вертолета в продольном канале от параметров груза на его внешней подвеске, а также результаты параметрических исследований влияния данных параметров на балансировочные характеристики вертолета.

Ключевые слова: вертолет, внешняя подвеска, влияние параметров груза, балансировка вертолета.

В работах [1, 2] было исследовано влияние параметров груза на его равновесное положение при транспортировке на внешней подвеске (ВП) вертолета и влияние силы натяжения троса на равновесие вертолета в установившемся горизонтальном прямолинейном полете. Известны также работы, выполненные ранее [3 - 5]. При этом представляет интерес зависимость балансировочных характеристик вертолета от параметров груза и других параметров ВП. К продольным балансировочным характеристикам вертолета в установившемся горизонтальном прямолинейном полете обычно относят зависимости угла продольного отклонения колец автомата перекоса к и угла тангажа вертолета Ф от скорости полета. Кроме того, рассматривается зависимость общего шага фо несущего винта (НВ) от скорости полета. Для решения поставленной задачи были выведены формулы, отражающие зависимость балансировочных характеристик вертолета от параметров груза, а затем проведены параметрические исследования влияния данных параметров на балансировочные характеристики вертолета. С целью проверки правильности определения влияния того или иного параметра груза на балансировочные характеристики вертолета проводились соответствующие вычислительные эксперименты (ВЭ) с использованием математической модели (ММ) движения системы "вертолет - груз на ВП" [6, 7].

Проведенный ранее анализ [1, 2] показал, что сила натяжения троса Rт и ее моменты зависят от следующих параметров груза и его подвески на вертолете: баллистического коэффициента груза са, аэродинамического качества груза Kгр, его относительной массы тгр, положения

точки крепления центрального троса на вертолете вдоль нормальной оси базовой системы координат вертолета (гтпуЬ - ут), продольной центровки вертолета xx.

Рассмотрим сначала влияние параметров груза на угол тангажа вертолета Ф. Приняв допущение о том, что угол тангажа вертолета без груза на ВП мал, т.е. Ф0 = 0, получим аналитическое выражение для приращения угла тангажа вертолета из-за наличия груза на его ВП, отражающее зависимость угла тангажа от параметров груза и параметров полета [1, 2]:

(

-агС£

АФ =

1

2 Я - к

с рУ2 гр

а г гп

V__а

(Гти.уЬ - Ут + Уэ )-

КгСРК

2 Я

-1

+

1

л

-1

т

V "р У

Уэ +(Гтп. уЬ - Ут + Уэ ).

гк с р¥2 V (

гр аг ' гп 1 +

2 Я

с а_РК

2 Я

А2

2

гДе

тгр

- баллистический коэффициент груза; сха - коэффициент силы лобового сопро-

тивления груза; Бгр - характерная площадь груза; Кгр - аэродинамическое качество груза; р -плотность воздуха; Угп - скорость установившегося горизонтального полета; гтпуь - координата точки подвеса груза на вертолете вдоль нормальной оси базовой системы координат вертолета

- т

(относительно плоскости вращения горизонтальных шарниров НВ); т = —— - относительная

масса груза; т

гр

абсолютная масса груза; т0 вертикальная центровка вертолета; уэ = ут +

то

- масса системы "вертолет - груз на ВП"; ут -ш— эффективная вертикальная центровка верто-

А*.

град

0

2ао

лета [8]; 1гш - разнос горизонтальных шарниров лопастей НВ (расстояние от оси вращения НВ до оси горизонтального шарнира НВ); а0 - средний угол конуса лопастей НВ; хт - продольная центровка вертолета.

На примере транспортировки пустого водосливного устройства ВСУ-15 построим графики зависимости приращения угла тангажа вертолета АФ от скорости полета, полученные путем проведения ВЭ и расчетов по формуле (1) (рис. 1).

При этом для обеспечения сопоставимости результатов аналитических расчетов и ВЭ массу системы "вертолет - груз на ВП" будем считать неизменной и равной 11100 кг (нормальная взлетная масса вертолета Ми-8МТВ).

Анализ графиков на рис. 1 показывает, что результаты расчетов по формуле (1) хорошо согласуются с результатами ВЭ, особенно в диапазоне скоростей 60...140 км/ч. С ростом скоростей полета увеличивающееся расхождение между результатами аналитических расчетов и ВЭ объясняется допущениями, принятыми при выводе формулы (1), а также из-за принятого при аналитических расчетах допущения о постоянстве аэродинамического качества груза Кгр и баллистического коэффициента груза са, которые имели значения: Кгр = - 0,7; са = 0,0233 м2/кг.

Проведен анализ влияния каждого параметра груза в отдельности при прочих равных условиях на приращение угла тангажа вертолета в установившемся горизонтальном прямолинейном полете. Исходные значения параметров груза и ВП принимались следующими: са = 0,0233 м2/кг (среднее значение для пустого ВСУ-15);

Кр = 0;

Рис. 1. Приращение угла тангажа вертолета с пустым ВСУ-15

тгр

= 0,03 (соответствует пустому ВСУ-15);

(гтпуЬ - ут) = - 1,435 м (один из вариантов штатного размещения точки крепления ВП на вертолете Ми-8МТВ);

хт = 0,22 м (средняя центровка вертолета Ми-8МТВ).

Анализ показал, что на приращение угла тангажа вертолета в наибольшей степени оказывают влияние баллистический коэффициент груза са и его относительная масса тгр. Причем,

как при увеличении баллистического коэффициента, так и при увеличении относительной массы груза отрицательный угол тангажа по модулю увеличивается (соответственно рис. 2 и 3). Это объясняется тем, что как при увеличении баллистического коэффициента груза, так и при увеличении его относительной массы при прочих равных условиях растет аэродинамическое

сопротивление системы "вертолет - груз на ВП" из-за увеличения составляющей силы натяжения троса ВП, действующей вдоль продольной оси вертолета Ят.х, которое необходимо компенсировать увеличением составляющей силы тяжести вертолета, направленной вперед в связанной системе координат вертолета [2]. Для этого необходимо наклонить вертолет на пикирование, т.е. увеличить по модулю отрицательный угол тангажа вертолета.

Рис. 2. Зависимость приращения угла тангажа Рис. 3. Зависимость приращения угла тангажа вертолета от скорости установившегося вертолета от скорости установившегося

горизонтального полета и баллистического горизонтального полета и относительной коэффициента груза массы груза

Аэродинамическое качество груза при изменении в разумных пределах слабо влияет на приращение угла тангажа вертолета. Немного более существенно влияние положения точки крепления центрального троса на вертолете вдоль нормальной оси базовой системы координат вертолета. Продольная центровка практически не влияет на приращение угла тангажа вертолета. Следует отметить, что даже при совпадении точки подвеса груза на вертолете с его центром масс будет иметь место приращение угла тангажа вертолета на пикирование, что объясняется вышеописанной необходимостью компенсировать возникновение проекции силы натяжения троса на продольную ось вертолета Ят.х.

Рассмотрим влияние параметров груза на общий шаг НВ ф0. Общий шаг НВ фо и тяга НВ Т тесно связаны между собой. Найдем зависимость общего шага НВ от тяги НВ и параметров полета вертолета. Для этого воспользуемся известной формулой [9]:

где р - плотность воздуха; ^ - производная коэффициента подъемной силы профиля лопасти НВ

на 70 % радиуса НВ; а

коэффициент заполнения НВ; Fou - ометаемая лопастями НВ

площадь; кл - число лопастей НВ; Бл - площадь одной лопасти НВ; юНВ - угловая скорость враще-

V cos a V sina ____v

ния НВ; Rhb - радиус НВ; и = —-----------— - характеристика режима работы НВ; 1 = —-------------НВ---L

НВ ^НВ НВ ^НВ

- коэффициент протекания; аНВ - угол атаки НВ; vi = Г° _ индуктивная скорость; Т0 - тяга

V 2Л

НВ без груза на ВП; АТ _ приращение тяги из-за наличия груза на ВП.

1 2

Введем обозначение: A = —pcyao^Fом (тНВRНВ) . Тогда общий шаг НВ можно определить по формуле:

фо = -

Т— ЛЛ

2 Ь 3 2

-I 1 + -м2

31 2

Отсюда получим формулу для приращения общего шага НВ из-за наличия груза на ВП:

ТО + ат—лл То — ЛЛ

Лфо

2 (л 3 2

—11 +—т

31 2

2( 3 2

3(1+2 т

гдеЛо, Л1 — коэффициенты протекания при полете, соответственно, без груза на ВП и с грузом на ВП; то, т — характеристики режима работы НВ при полете, соответственно, без груза на ВП и с грузом на ВП.

Разделим числители и знаменатели дробей, стоящих в правой части уравнения (4), на вес системы "вертолет — груз на ВП" ш0§. Тогда с учетом того, что Ф0 » О, Т0 » ш0§ и АТ = тгр gAT [2], получим:

1+т ат—лл*

Лфо

2 А

1—Ло л

2 (л 3 2

3 [’ + 2 т

где

Р =

АТ = —1 + соб

А $+ аг^

1

2 g

-К

гр

КрОаРУп 2 g

— 1

+

.Г

нагрузка на ометаемую лопастями НВ площадь;

4р РСуа&(Щ{В^НВ ) .

Для случая транспортировки пустого водосливного устройства ВСУ-15 построим графики зависимости приращения общего шага НВ от скорости полета, полученные путем проведения ВЭ и расчетов по формуле (5) (рис. 4). Сравнение графиков на рис. 4 показывает, что результаты расчетов по формуле (5) хорошо согласуются с результатами ВЭ во всем рассматриваемом диапазоне скоростей полета вертолета.

Анализ влияния параметров груза и ВП на общий шаг НВ показывает, что наибольшее влияние в данном случае имеют баллистический коэффициент груза са и относительная масса груза тгр (соответственно рис. 5 и 6). Из

представленных графиков видно, что при увеличении баллистического коэффициента груза и его относительной массы приращение общего шага НВ увеличивается. Это связано не столько с тем, что при этом растет приращение тяги НВ АТ, сколько с тем, что происходит изменение (в данном случае уменьшение) угла атаки НВ из-за уменьшения угла тангажа вертолета (рис. 2, 3). Для компенсации уменьшения угла атаки НВ необходимо увеличить общий шаг НВ. Напомним, что от угла атаки НВ зависят коэффициент протекания Л1 и характеристика режима работы НВ т1, которые входят в полученную выше формулу (5) для определения приращения общего шага НВ.

Рис. 4. Приращение общего шага несущего винта вертолета с пустым ВСУ-15

>1:

2

*

Дфо,

Рис. 5. Зависимость приращения общего шага несущего винта от скорости установившегося горизонтального полета и баллистического коэффициента груза

Рис. 6. Зависимость приращения общего шага несущего винта от скорости установившегося горизонтального полета и относительной массы груза

Рассмотрим изменение угла продольного отклонения колец автомата перекоса к из-за наличия груза на ВП вертолета. Получим аналитическое выражение для приращения данного угла, отражающее его зависимость от параметров груза и ВП в целом. На основе формул, выведенных в [2], а также принятых выше допущений получим:

1

—

Дк =

ш.

—-1 + СОБ

ш

КрОарУП

2 Я

+

2 Я

- +

а

НБ

БІП

+

+ X

а

-1— 1 + соб

Шгр

К„ СаРУП 2 Я

+

( с рУ2 ^

а г гі

2 Я

а

к

аНБУэ

где а10, а11 - коэффициенты махового движения (углы продольного отклонения аэродинамической оси конуса лопастей НВ от конструктивной оси вращения НБ) при косой обдувке НВ вертолета без груза на ВП и с грузом на ВП, соответственно; БНВ - передаточное отношение между углом отклонения колец автомата перекоса и углом отклонения аэродинамической оси конуса лопастей НВ от конструктивной оси вращения НВ; к0 - угол продольного отклонения колец автомата перекоса при полете вертолета без груза на ВП.

Для случая транспортировки пустого водосливного устройства ВСУ-15 построим графики зависимости приращения продольного отклонения колец автомата перекоса от скорости полета, полученные путем проведения ВЭ и расчетов по формуле (6) (рис. 7).

Сравнение графиков на рис. 7 показывает, что результаты расчетов по формуле (6) не противоречат результатам ВЭ.

Анализ влияния изменения параметров груза на приращение угла продольного отклонения колец автомата перекоса в установившемся горизонтальном прямолинейном полете показал, что в данном случае значительное влияние на рассматриваемую балансировочную характеристику оказывают баллистический коэффициент груза Са, его относительная масса шгр и расстояние от точки крепления центрального троса ВП на вертолете до центра масс вертолета вдоль нормальной оси базовой системы координат вертолета (гтп.уь - ут) (рис. 8 - 10).

2

Ґ

1

2

1

Рис. 7. Приращение угла продольного отклонения колец автомата перекоса НВ вертолета с пустым ВСУ-15

Рис. 8. Зависимость приращения угла продольного отклонения колец автомата перекоса от скорости установившегося горизонтального полета и баллистического коэффициента груза

Рис. 9. Зависимость приращения угла Рис. 10. Зависимость приращения угла

продольного отклонения колец автомата продольного отклонения колец автомата

перекоса от скорости установившегося перекоса от скорости установившегося

горизонтального полета и относительной горизонтального полета и расстояния от

массы груза точки крепления центрального троса

внешней подвески на вертолете до центра масс вертолета вдоль нормальной оси связанной системы координат вертолета

Из представленных графиков видно, что с увеличением скорости полета и баллистического коэффициента груза приращение угла продольного отклонения колец автомата перекоса также увеличивается, т.е. кольца автомата перекоса отклоняются назад. При этом необходимо отметить, что при малых значениях баллистического коэффициента груза на малых скоростях полета приращение угла продольного отклонения колец автомата перекоса отрицательно (кольца отклоняются вперед). Это связано с тем, что в данном случае сила натяжения троса создает кабрирующий момент, который необходимо парировать приращением продольной силы НВ АН, направленным вперед для создания пикирующего момента.

При увеличении относительной массы груза тгр для обеспечения условия постоянства баллистического коэффициента груза са необходимо увеличивать произведение коэффициента лобового сопротивления груза на его характерную площадь схагр8гр, что в сумме ведет к росту величины силы натяжения троса Ят, а значит и к росту пикирующего момента этой силы относительно центра масс вертолета при постоянном угле отклонения троса от вертикали (в данном случае сила натяжения троса создает пикирующий момент, т.к. баллистический коэффициент

груза достаточно велик, а, следовательно, велик и угол отклонения троса от вертикали). Заметим, что при больших значениях относительной массы груза кривая зависимости угла продольного отклонения колец автомата перекоса от скорости установившегося горизонтального полета вертолета имеет экстремум, т.е. при определенной скорости полета Ак начинает уменьшаться. Это связано с тем, что на больших скоростях полета при их дальнейшем увеличении значительно возрастает сила лобового сопротивления всей системы "вертолет — груз на ВП", что требует дополнительного отклонения колец автомата перекоса для создания приращения пропуль-сивной силы НВ, направленной вперед для компенсации роста аэродинамического сопротивления.

С ростом модуля расстояния от точки крепления центрального троса ВП на вертолете до центра масс вертолета вдоль нормальной оси связанной системы координат вертолета приращение Ак увеличивается. Это происходит, потому что с ростом по модулю величины (гтп.уЬ — ут) увеличивается пикирующий момент силы Ятх, компенсируемый приращением продольной силы НВ АН, которое создается с помощью отклонения колец автомата перекоса назад. Заметим, что при малых по модулю значениях величины (гтпуЬ — ут) приращение Ак отрицательно, т.е. кольца автомата перекоса дополнительно отклоняются вперед. Это связано с тем, что в этом случае момент от силы Ятх незначителен или равен нулю, а сама сила Ятх создает дополнительное сопротивление. Для его компенсации нужно уменьшить угол тангажа для увеличения составляющей силы тяжести вертолета, направленной вперед. Это делается путем создания приращения продольной силы НВ АН, направленного вперед, за счет отклонения вперед колец автомата перекоса.

Таким образом, проведенное исследование показало, что груз на ВП в значительной степени влияет на такие балансировочные характеристики вертолета как угол тангажа Ф и общий шаг НВ фо. Причем общий шаг НВ увеличивается в основном из-за уменьшения угла атаки НВ аНВ при наличии груза на ВП. Уменьшение же угла атаки НВ вызвано уменьшением угла тангажа вертолета, которое, в свою очередь, возникает из-за необходимости создания составляющей силы тяжести в связанной системе координат вертолета, направленной вперед для компенсации проекции силы натяжения троса на продольную ось вертолета Ятх и приращения продольной силы НВ АН, когда оно направлено назад.

На абсолютную величину угла продольного балансировочного отклонения колец автомата перекоса к наличие груза на ВП оказывает несущественное влияние. Этот вывод согласуется с выводом, сделанным в работе [3]. Однако, при этом авторами настоящей работы впервые было показано, что приращение угла продольного отклонения колец автомата перекоса может быть не только положительным (отклонение назад), но и отрицательным (отклонение вперед), что зависит от взаимного положения центра масс вертолета и линии действия силы натяжения троса ВП.

Таким образом, определены аналитические зависимости балансировочных характеристик вертолета от параметров груза и ВП, с помощью которых в первом приближении можно прогнозировать изменение балансировочных характеристик вертолета из-за наличия груза на его ВП. Однако для полного подтверждения адекватности выведенных зависимостей необходимо проведение соответствующих летных экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ефимов В.В. Исследование влияния параметров груза на условия его равновесия на внешней подвеске вертолета // Научный Вестник МГТУ ГА, № 151, 2о1о. - С. 134 — 141.

2. Ефимов В.В. О влиянии груза на внешней подвеске вертолета на его равновесие. Статья в настоящем Научном Вестнике.

3. Володко А.М. Основы аэродинамики и динамики полета вертолетов: учеб. пособие для вузов. — М.: Транспорт, 1988.

4. Володко А.М. Основы летной эксплуатации вертолетов. Аэродинамика. — М.: Транспорт, 1984.

5. Володко А.М. Вертолет в особой ситуации. — М.: Транспорт, 1992.

6. Ефимов В.В. Математическое описание движения груза на внешней подвеске вертолета // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность, № 111, 2оо7. - С. 121 - 128.

7. Козловский В.Б. и др. Вертолет с грузом на внешней подвеске / В.Б. Козловский, С.А. Паршенцев, В.В. Ефимов / под ред. В.Б. Козловского. — М.: Машиностроение / Машиностроение-Полет, 2оо8.

8. Дмитриев И.С., Есаулов С.Ю. Системы управления одновинтовых вертолетов. — М.: Машиностроение, 1969.

9. Брамвелл А.Р.С. Динамика вертолетов / пер. с англ. / пер. Т.П. Ампилова, Г.К. Жустрин. — М.: Машиностроение, 1982.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF PARAMETERS CARGO ON EXTERNAL SLING ON

THE BALANCING DATA HELICOPTER

Efimov V.V., Ivchin V.A.

The dependences of balancing the characteristics of the helicopter in the longitudinal channel of the parameters of the cargo on its external sling, as well as the results of parametric studies, the influence of these parameters on balancing characteristics of the helicopter.

Key words: helicopter, external suspension, cargo parameters effect, helicopter balancing.

Сведения об авторах

Ефимов Вадим Викторович, 1965 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1988), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 30 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование, системотехника, эффективность летательных аппаратов.

Ивчин Валерий Андреевич, 1951 г.р., окончил МАИ им. С. Орджоникидзе (1974), кандидат технических наук, начальник отдела аэродинамики и динамики вертолета ОАО "Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля", автор более 40 научных работ, область научных интересов - аэродинамика, динамика вертолета, математическое моделирование вертолета на пилотажных стендах, экспериментальные исследования аэродинамики винтов вертолета.