ВЕРТОЛЕТ С СООСНЫМИ НЕСУЩИМИ ВИНТАМИ

Полезная модель относится к авиации, в частности к устройству, компоновке и конструкции вертолета с соосными несущими винтами и его системе управления.
Известны соосные вертолеты фирмы «Камов», конструкции их несущих винтов и системы управления (стр. 14-18, журнал «Вертолет» №3(18), 2002 г. Казань). Соосная схема вертолета имеет серьезнейший генетический недостаток - схлестывание лопастей, обусловленный близостью расположенных в параллельных плоскостях (друг над другом) и вращающихся в противоположных направлениях несущих соосных винтов.
Находящиеся в настоящее время в эксплуатации вертолеты соосной схемы имеют шарнирные втулки несущих винтов и лопасти, обладающие достаточно высокой деформативностью. Соударение лопастей нижнего и верхнего вращающихся винтов приводит к неизбежному и мгновенному разрушению всей несущей системы и гибели вертолета.
Попытки разнесения плоскостей нижнего и верхнего винтов на относительно безопасное расстояние значительно ухудшает летно-технические характеристики вертолета: резко повышает его вредное сопротивление и увеличивает и без того высокие нагрузки на элементы конструкции «колонки», что приводит к снижению ресурса.
Так, для уменьшения риска схлестывания лопастей, вращающихся в разных направлениях верхнего и нижнего несущих винтов, их разносят по высоте на величину, равную 0,2R-радиуса винта (см. Л.С. Вильдгрубе, стр. 26, "ВЕРТОЛЕТЫ расчет интегральных аэродинамических характеристик и летно-технических данных", - М. Машиностроение, 1977 г.). Для вертолета Ка-26 увеличение габаритного размера по высоте составляет 1,3 м, для Ка-32 - 1,6 м.
Гарантировать исключение схлестывания практически невозможно. Маховое движение лопастей возрастает на маневренных режимах. Его рост в аварийных ситуациях при возникновении различных видов автоколебаний намного превышает все расчетные случаи. В этих ситуациях катастрофические последствия для соосных винтов неизбежны.
Относительно большой габаритный размер по высоте у вертолетов с соосной несущей системой усложняет их обслуживание при эксплуатации, для них требуются высокие помещения - ангары, что особенно трудно выполнимо при базировании соосных вертолетов на корабле, более того большой размер по высоте приводит к необходимости демонтажа главного редуктора при транспортировке соосного вертолета с последующей сборкой, повторным проведением контрольно-испытательных мероприятий.
В известных решениях, несущих систем соосных вертолетов элементы управления смонтированы как на внешней поверхности валов редуктора, на которых установлены несущие винты, так и внутри вала несущего винта. Система управления сложная и обвязывает валы несущих винтов настолько плотно, что зачастую, не позволяет разместить отдельные виды оборудования, например радиолокационную антенну, над плоскостью вращения соосного несущего винта, как делают на вертолетах одновинтовой схемы.
Недостатки известных систем вертолетных соосных винтов: существующий риск схлестывания лопастей нижнего и верхнего винтов, сложность системы управления, ограничения по размещению оборудования над соосными несущими винтами, большие габариты по высоте, повышенное аэродинамическое сопротивление втулки («колонки») соосного несущего винта.
Другим из известных технических решений (прототипом) является вертолетный соосный несущий винт, имеющий разноразмерные верхний и нижний винты (патент РФ №2496681, 27.10.2013). Недостатком данного несущего винта является отсутствие хвостовых секций на лопастях большого винта от комля до середины лопасти, т.е. на радиусе большого винта 0…0,5R лонжерон лопасти «голый». Такая компоновка способствует вихреобразованию на не спрофилированном участке лопасти и повышает вредное сопротивление при работе. Также, предложенная компоновка винта, не решает ряда проблем связанных с «громоздкостью» и сложностью системы управления соосных несущих винтов, а также безопасностью ввиду потенциальной возможности схлестывания лопастей верхнего и нижнего винтов на скоростных и маневренных режимах полета.
Задачами настоящей полезной модели являются: повышение уровня безопасности эксплуатации, снижение уровня сложности конструкции втулки несущего винта и системы управления, уменьшение габаритов несущей системы по высоте, а также улучшение аэродинамических характеристик несущей системы.
Поставленная задача решается благодаря тому, что вертолет с соосным несущим винтом, включает в себя верхний и нижний винты противоположного вращения и систему управления, согласно заявляемой полезной модели, имеет верхний жесткий винт малого диаметра и с управлением только общим шагом установки лопастей, а нижний винт умеренной жесткости большого диаметра с управлением общим и дифференциальным шагом лопастей, причем обороты винтов находятся в соотношении, обеспечивающем одинаковые скорости концевых сечений лопастей верхнего и нижнего винтов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение уровня безопасности эксплуатации, вследствие отсутствия риска соударения лопастей верхнего и нижнего винтов, за счет геометрических аспектов, минимизирующих этот риск. В предлагаемой полезной модели винт малого диаметра выполнен жестким - расстояние от оси вращения до эквивалентного горизонтального шарнира, отнесенное к радиусу винта, составляет более 80%. Винт большого диаметра выполнен умеренной жесткости - расстояние от оси вращения до эквивалентного горизонтального шарнира, отнесенное к радиусу винта, находится в пределах 10÷40%. Упрощение конструкции втулки несущего винта (использование только осевых шарниров) и системы управления достигается за счет исключения управления дифференциальным шагом лопастей верхнего винта. Управление и балансировка вертолета в каналах крена и тангажа осуществляется аналогично одновинтовой схеме, т.е. посредством изменения дифференциального шага лопастей нижнего винта (большего диаметра). Верхний винт имеет только управление общим шагом установки лопастей (подобно самолетным воздушным винтам изменяемого шага «ВИШ»). За счет уменьшения диаметра верхнего винта и повышения его жесткости появилась компоновочная возможность безопасно располагать верхний и нижний винты на меньшем расстоянии друг от друга, что снижает габаритный размер по высоте и улучшает аэродинамические характеристики несущей системы. Представляется рациональным соотношение диаметров нижнего и верхнего винтов в пределах 1:0,4…1:0,8. Соотношение диаметров винтов, сближение плоскостей вращения, жесткостные параметры винтов и пр. определяются расчетам и экспериментально при проектировании.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан вертолет с соосными винтами;
на фиг. 2. изображена конструкция соосных несущих винтов;
на фиг. 3 показан вертолет с дополнительным толкающим винтом.
Вертолет с соосными несущими винтами содержит верхний винт 1 и нижний винт 2 противоположного вращения. Верхний винт 1 - малого диаметра выполнен жестким, управляется только общим шагом установки, лопастей, а нижний винт 2, большего диаметра - умеренно жесткий, управляется общим и дифференциальным шагом.
Втулка 3 верхнего винта 1 имеет осевые шарниры 4 заделки лопастей 5. Втулка 6 нижнего винта 2 имеет осевые шарниры 7 заделки лопастей 8.
Несимметричные соосные винты содержат механическую часть устройства управления дифференциальным и общим шагом лопастей 8 для нижнего винта 2, а также общим шагом лопастей 5 верхнего винта 1.
Верхним винтом 1 управляют путем изменения общего угла установки лопастей 5. Управляющее воздействие от исполнительного механизма передают на ползун 9, являющийся подвижным в осевом направлении. От ползуна 9 воздействие передается на рычаг 10. К рычагу 10 крепятся поводки 11, которые при изменении положения рычага 10 устанавливают лопасти 5 в осевых шарнирах 4 на равный угол.
Нижним винтом 2 управляют путем изменения общего и дифференциального шага установки лопастей 8.
Управляющее воздействие нижнего винта 2 передается от автомата перекоса (не показан) на тяги 12, откуда усилие передается на лопасти 8 посредством качалки 13 и серьги 14.
Обороты винтов находятся в соотношении, обеспечивающем одинаковые скорости концевых сечений лопастей верхнего и нижнего винтов. Аэродинамическая компоновка верхнего 1 и нижнего 2 винтов (наборы профилей, форма лопастей в плане, количество лопастей и пр.) определяется из условия необходимости уравновешивания реактивного момента и возможности управления летательным аппаратом с таким несущим винтом на всех расчетных режимах полета. На комбинированном вертолете с пропульсатором помимо несущих винтов имеется толкающий воздушный винт 15.
Задачи, решаемые настоящей полезной моделью: снижение риска схлестывания лопастей верхнего и нижнего винтов на скоростных и маневренных режимах полета, улучшение аэродинамических характеристик несущей системы в еще большей степени актуальны для перспективных скоростных вертолетов, в том числе с дополнительными пропульсивными движителями, т.к. именно в полете на высоких скоростях проявляется существенная потребность в указанных свойствах несущей системы.