Внешняя подвеска вертолета для крупногабаритного груза (варианты)
EXTERNAL HELICOPTER SUSPENSION FOR LARGE-SIZE CARGO (OPTIONS)

Группа изобретений предназначена для транспортирования и сброса крупногабаритного груза с внешней подвески в полете. Группа изобретений может быть использована как в авиационной, так и в других отраслях техники при сбросе крупногабаритных грузов, требующих определенной ориентации в момент отделения.
Применяемые в настоящее время конструкции внешних подвесок вертолета, как правило, не предполагают сброс крупногабаритных грузов, требующих определенной ориентации в момент отделения в полете и тем более при скоростях порядка 200 км/ч.
Известна внешняя подвеска вертолета (RU 2608824 С1, МПК: B64D 9/00 (2006/01), B64D 1/12 (2006.01), опубл. 25.01.2017 г.), содержащая силовой канат, стропы с узлами крепления подвески к фюзеляжу, верхний и нижний электромеханический замок, вертлюг-токосъемник, электрокабель и балку со стабилизирующим устройством.
Недостатками данного технического решения является то, что данное устройство предназначено только для транспортирования длинномерных грузов и не предназначено для сброса груза.
Известна внешняя подвеска вертолета для крупногабаритного груза (RU 191205 U1, МПК: B64D 9/00 (2006/01), B64D 1/22 (2006/01), опубл. 29.07. 2019 г.), принятая за прототип, содержащая верхний замок, к которому посредством переходных звеньев последовательно подсоединены вертлюг-токосъемник и канат, к нижнему концу каната посредством кардана шарнирно подсоединена балка с жестко прикрепленными грузодержателями. Один грузодержатель, например, на заднем конце балки выполнен управляемым в виде электрозамка или пироболта. Другие грузодержатели на противоположном конце балки выполнены неуправляемыми, но их конструкция обеспечивает возможность свободного отделения груза после его сброса с управляемого грузодержателя. Из кабины вертолета через вертлюг-токосъемник по канату к балке проложен электрокабель для питания управляемого грузодержателя.
Однако эта внешняя подвеска имеет существенные недостатки.
Указанное в описании прототипа обеспечение расчетного (заданного на земле) положения груза при его сбросе независимо от угла наклона центрального каната внешней подвески вертолета в полете не может быть реализовано, так как аэродинамические силы в полете приложены в центре давления сборки «груз + балка», а центр давления находится существенно ниже расположения шарнира. Всегда результирующая сила от веса груза и аэродинамических сил направлена вдоль центрального каната, а положение продольной оси груза в полете будет отличаться от заданного на земле и зависеть от скорости полета вертолета. В данном техническом решении после срабатывания управляемого грузодержателя под действием веса груза при выходе из неуправляемого грузодержателя создается момент силы относительно центра масс груза, под действием которого груз получает угловую скорость закрутки относительно поперечной оси аппарата, поэтому не могут быть обеспечены необходимые кинематические параметры при отделении крупногабаритного груза.
Задачей группы изобретений является создание внешней подвески вертолета позволяющей исключить закрутку и реализовать заданную ориентацию крупногабаритного груза для обеспечения необходимых условий сброса груза при отработке парашютной системы.
Технический результат заключается в обеспечении заданного положения продольной оси крупногабаритного груза при полете на внешней подвеске вертолета перед сбросом, а также в обеспечении отделения груза от балки без силовых воздействий на его корпус.
Указанный технический результат достигается тем, что во внешней подвеске вертолета для крупногабаритного груза (по первому варианту), содержащей верхний замок, к которому посредством переходных звеньев последовательно подсоединены вертлюг-токосъемник и центральный канат, балку с установленными на ней в местах подвеса груза грузодержателями, и электрокабель, проложенный из кабины вертолета через вертлюг-токосъемник вдоль каната к упомянутой балке, где балка выполнена с хвостовой частью и вертикальным оперением, а грузодержатели выполнены в виде пиротехнических узлов разделения, причем в подвеску введены два грузовых каната равной длины, один из которых передний, а другой -задний, при этом задний грузовой канат снабжен канатной вставкой, причем одними концами грузовые канаты прикреплены к скобе, установленной на оконечности центрального каната, а другими концами - передний грузовой канат прикреплен к балке через установленный на ней передний кронштейн, а задний грузовой канат прикреплен к одному концу канатной вставки, другой конец которой прикреплен к балке через установленный на ней задний кронштейн, при этом длина канатной вставки рассчитывается по формуле:
где:  - длина канатной вставки для двухканатной подвески;
- общая длина заднего грузового каната внешней подвески и канатной вставки;
- длина переднего грузового каната;
- длина заднего грузового каната; при условии OA = OZ;
- расстояние между передней и задней точками подвески на балке;
- угол между передним грузовым канатом внешней подвески и балкой.
Технический результат достигается тем, что внешняя подвеска вертолета для крупногабаритного груза (по второму варианту), содержащая верхний замок, к которому посредством переходных звеньев последовательно подсоединены вертлюг-токосъемник и центральный канат, балку с установленными на ней в местах подвеса груза грузодержателями и электрокабель, проложенный из кабины вертолета через вертлюг-токосъемник вдоль каната к упомянутой балке, где балка выполнена с хвостовой частью и вертикальным оперением, а грузодержатели выполнены в виде пиротехнических узлов разделения, причем в подвеску введены четыре грузовых каната равной длины, два из которых передние, а другие -задние, при этом задние грузовые канаты снабжены канатными вставками равной длины, притом одними концами передние и задние грузовые канаты прикреплены к скобе, установленной на оконечности центрального каната, а другими концами - передние грузовые канаты прикреплены к балке через установленные на ней передние кронштейны, а задние грузовые канаты прикреплены к одним концам канатных вставок, другие концы которых прикреплены к балке через установленные на ней задние кронштейны, при этом длина канатной вставки рассчитывается по формуле:
где:  - длина канатной вставки для четырехканатной подвески;
- длина передних грузовых канатов внешней подвески;
- длина проекции задних грузовых канатов внешней подвески с канатными вставками на продольную плоскость симметрии балки;
- расстояние между проекциями точек крепления передних и задних грузовых канатов к балке на продольную плоскость симметрии;
- угол между балкой и проекцией передних грузовых канатов внешней подвески на продольную плоскость симметрии;
- расстояние от точки крепления заднего грузового каната с канатной вставкой к балке до продольной плоскости симметрии балки;
- длина задних грузовых канатов внешней подвески.
Причем (по первому и второму вариантам) балка может быть выполнена в виде рамы ферменной конструкции с хвостовой частью и вертикальным оперением.
Сущность группы изобретений поясняется чертежами (фиг.1-6).
На фиг.1 показан вид внешней подвески вертолета в начале подъема сбоку (по первому и второму вариантам).
На фиг.2 показан вид двухканатной внешней подвески вертолета в начале подъема спереди.
На фиг.3 показан вид четырехканатной внешней подвески вертолета в начале подъема спереди.
На фиг.4 изображен общий вид внешней подвески вертолета и положение груза в полете вертолета перед сбросом, центральный канат внешней подвески отклонен от вертикали на угол а (по первому и второму вариантам).
На фиг.5 изображена схема для расчета длины канатных вставок для двухканатной подвески, где:
- передняя точка подвески на балке;
- задняя точка подвески на балке;
- точка крепления грузовых канатов внешней подвески к центральному канату;
- центр масс груза на внешней подвеске;
- точка пересечения вертикальной линии, проходящей через точку О и отрезок АВ;
1
- проекция точки О на отрезок АВ;
1
- точка пересечения отрезков ОО и АВ;
- точка крепления заднего грузового каната к канатной вставке;
- вес груза на внешней подвеске;
- сила лобового сопротивления;
- подъемная сила;
- равнодействующая массовых и аэродинамических сил;
- угол отклонения центрального каната внешней подвески от вертикали;
- угол между передним грузовым канатом внешней подвески и балкой;
1
- угол между отрезками АВ и ОО;
1
- угол между передним грузовым канатом АО и отрезком OO;
- угол между продольной осью груза и горизонтальной плоскостью.
На фиг.6 изображена схема для расчета длины канатных вставок для четырехканатной подвески, где:
- передняя точка подвески на балке;
- проекция передней точки подвески на балке на продольную плоскость симметрии балки;
- задняя точка подвески на балке;
- проекция задней точки подвески на балке на продольную плоскость симметрии балки;
- точка крепления грузовых канатов внешней подвески к центральному канату;
- центр масс груза на внешней подвеске;
- точка пересечения вертикальной линии, проходящей через точку О и отрезок АВ;
1
- проекция точки O на отрезок АВ;
1
- точка пересечения отрезков ОО и АВ;
- точка крепления заднего грузового каната к канатной вставке;
- проекция точки крепления заднего грузового каната к канатной вставке на продольную плоскость симметрии балки;
- вес груза на внешней подвеске;
- сила лобового сопротивления;
- подъемная сила;
- равнодействующая массовых и аэродинамических сил;
- угол отклонения центрального каната внешней подвески от вертикали;
- угол между передним грузовым канатом внешней подвески и балкой;
1
- угол между отрезками АВ и OO;
1
- угол между передним грузовым канатом АО и отрезком ОО;
- угол между продольной осью груза и горизонтальной плоскостью. Внешняя подвеска вертолета 1 (фиг.1) для крупногабаритного груза 12 (по первому варианту), содержит верхний замок 2, к которому посредством переходных звеньев 16 последовательно подсоединены вертлюг-токосъемник 4 и центральный канат 3. В ее состав также входит балка 8 с установленными на ней в местах подвеса груза грузодержателями 9 и электрокабель (на фиг. не показан) для обеспечения электропитания грузодержателей 9, проложенный из кабины вертолета 1 через вертлюг-токосъемник 4 вдоль центрального каната 3 и вдоль одного из грузовых канатов 6 или 7 к упомянутой балке 8. Балка 8 выполнена с хвостовой частью 10 и вертикальным оперением 11. Причем в подвеску введены два грузовых каната равной длины, один из которых передний 6 (по направлению полета), а другой - задний 7. При этом задний грузовой канат 7 снабжен канатной вставкой 15. Причем одними концами грузовые канаты 6 и 7, (например, при помощи серег на фиг. не показаны), прикреплены к скобе 5, установленной на оконечности центрального каната 3, а другими концами - передний грузовой канат 6 прикреплен (например, при помощи скобы, на фиг. не показана) к балке 8 через установленный на ней передний кронштейн 13, а задний грузовой канат 7 прикреплен, (например, через скобу 17, установленную на нем, с помощью, например, серег, на фиг. не показаны) к одному концу канатной вставки 15. Другой конец канатной вставки 15 прикреплен (например, при помощи скобы, на фиг. не показана) к балке 8 через установленный на ней задний кронштейн 14. При этом длина канатной вставки рассчитывается по формуле (1).
Внешняя подвеска вертолета 1 (фиг.1) для крупногабаритного груза 12 (по второму варианту), содержит верхний замок 2, к которому посредством переходных звеньев 16 последовательно подсоединены вертлюг-токосъемник 4 и центральный канат 3. В ее состав также входит балка 8 с установленными на ней в местах подвеса груза грузодержателями 9 и электрокабель (на фиг. не показан) для обеспечения электропитания грузодержателей 9, проложенный из кабины вертолета 1 через вертлюг-токосъемник 4 вдоль центрального каната 3 и вдоль одного из грузовых канатов 6 или 7 к упомянутой балке 8. Балка 8 выполнена с хвостовой частью 10 и вертикальным оперением 11. Причем в подвеску введены четыре грузовых каната равной длины, два из которых передние 6 (по направлению полета), а другие - задние 7. При этом задние грузовые канаты 7 снабжены канатными вставками 15 равной длины. Причем одними концами грузовые канаты 6 и 7 (например, при помощи серег на фиг. не показаны), прикреплены к скобе 5, установленной на оконечности центрального каната 3, а другими концами - передние грузовые канаты 6 прикреплены (например, при помощи скоб, на фиг. не показана) к балке 8 через установленные на ней передние соответствующие кронштейны 13, а задние грузовые канаты 7 прикреплены (например, через скобы 17, установленные на них, с помощью, например, серег, на фиг. не показаны, закрепленных на канатных вставках 15) к одним концам канатных вставок 15, другие концы канатных вставок 15 прикреплены (например, при помощи скобы, на фиг. не показана к балке 8 через установленные на балке задние соответствующие кронштейны 14. При этом длина канатной вставки 15 рассчитывается по формуле (2).
По первому и второму вариантам грузодержатели 9 выполнены в виде пиротехнических узлов разделения, например, пирозамков или пироболтов, расположенных в передней и задней частях балки 8 (по направлению полета). Количество грузодержателей 9 определяется требованиями со стороны крупногабаритного груза (например, три). Балка 8 с целью снижения ее массы может быть выполнена в виде рамы ферменной конструкции, например, из конструкционной стали и/или алюминиевых труб.
При подъеме вертолетом сборки «груз + балка» и наборе им горизонтальной скорости, центральный канат 3 будет отклоняться от вертикали на угол, зависящий от аэродинамических характеристик сборки «груз + балка», скорости полета и плотности атмосферы. Горизонтальное положение продольной оси балки 8 в полете, и, следовательно, требуемое положение оси груза 12 относительно набегающего потока на момент сброса можно обеспечить за счет введения в задние грузовые канаты 7 канатных вставок 15, длины которых определяются расчетным способом.
Схема для расчета длины канатной вставки ZB для двухканатной подвески (по первому варианту) представлена на фиг.5 и определяется по формуле (1).
Перед началом сбросов груза 12 проводят аэродинамический расчет для скорости полета вертолета на момент сброса груза и, зная вес сборки «груз + балка» и силы, действующие на сборку, определяют угол а отклонения центрального каната 3 внешней подвески от вертикали.
К концу центрального каната 3 внешней подвески (точка О), отклоненному от вертикали на угол а, крепят грузовые канаты внешней подвески 6 (OA) и 7 (OZ). (фиг.5). Другие концы грузовых канатов 6 и 7 крепят к балке 8: канат 6 (OA) в точке А, а канат 7 (OZ) в точке В через канатную вставку 15 (ZB). Длина канатной вставки 15 (ZB) такова, что при заданном угле а отрезок АВ занимает горизонтальное положение.
1
1
Точка O - центр масс груза на внешней подвеске, точка Е является проекцией точки О на отрезок АВ, причем АЕ=ЕВ.
1
Точка D является пересечением вертикальной линии, проходящей через точку О и отрезок АВ, т.е. при данном положении груза отрезок OD перпендикулярен отрезку АВ. Угол между вертикальным отрезком OD и отрезком ОО равен углу отклонения центрального каната внешней подвески - α.
1
Точка F является пересечением отрезков OO и АВ.
1
1
При отсутствии канатной вставки ZB и креплении каната 0Z непосредственно к точке В (точка Z при этом совпадет с точкой В) ввиду соотношений АЕ=ЕВ и OA=OZ точка Е совпадет с точкой F, а отрезок ОО примет вертикальное положение и окажется на одной прямой с отрезком ЕО, так что после подъема вертолетом до набора горизонтальной скорости ось балки примет горизонтальное положение.
Угол λ между осями груза и балки определяет требуемое положение груза при сбросе.
Для определения длины канатной вставки ZB используют следующие известные параметры:
G - вес груза на внешней подвеске;
X - сила лобового сопротивления;
Y - подъемная сила;
АО=OZ - длины передних и задних грузовых канатов внешней подвески соответственно;
АЕ=ЕВ - расстояния от точки Е до точек А и В соответственно;
1
1
EO - расстояние от точки O до отрезка, соединяющего точки А и В.
Равнодействующую массовых и аэродинамических сил R находим из уравнения:
угол отклонения центрального каната внешней подвески от вертикали α, находим из выражения:
1
из треугольника AEO получаем соотношение:
1
где: AF - расстояние от точки А до точки пересечения отрезков АВ и OO;
1
из треугольника DOF находим угол γ - между отрезками АВ и OO;
из треугольника AOF получаем соотношение:
1
откуда находим угол ω - угол между передним грузовым канатом внешней подвески и отрезком ОО.
из треугольника AOF находим угол β - угол между передним грузовым канатом внешней подвески и рамой:
из треугольника АОВ находим ОВ - общую длину заднего грузового каната внешней подвески и канатной вставки:
где: АВ - расстояние между проекциями точек крепления передних и задних грузовых канатов к балке на продольную плоскость симметрии; затем находим длину канатной вставки ZB:
1
z
При расчетах принимают, что аэродинамические силы приведены к центру масс груза (точке О), а возникающий аэродинамический момент m недостаточен для изменения положения груза и приводит только к перераспределению нагрузок на грузовых канатах. Также принимают, что движение является установившимся, а аэродинамические силы, действующие на центральный канат, грузовые канаты и вес внешней подвески в расчетах не учитываются из-за их малого влияния.
Схема для расчета длины канатных вставок Z'B' для четырехканатной подвески (по второму варианту) представлена на фиг.6 и определяется по формуле (2).
При расчете для четырехканатной подвески отрезки АО, OZ и ZB являются проекциями грузовых канатов и канатных вставок соответственно на продольную вертикальную плоскость. Отсюда длину проекции АО передних грузовых канатов внешней подвески на продольную плоскость симметрии балки вычисляют по формуле:
где:  - длина передних грузовых канатов;
- расстояние от точки крепления переднего грузового каната к балке до продольной плоскости симметрии балки (заданная величина).
Общую длину ОВ проекции задних грузовых канатов внешней подвески с канатными вставками на продольную плоскость симметрии балки определяют из уравнения:
где:  - длина задних грузовых канатов с канатными вставками;
- расстояние от точки крепления заднего грузового каната с канатной вставкой к балке до продольной плоскости симметрии балки (заданная величина);
откуда находим длину канатной вставки
где:  - длина задних грузовых канатов.
Величина OZ в данном случае - длина проекции задних грузовых канатов внешней подвески на продольную плоскость симметрии балки, причем равенство АО=0Z не выполняется.
Итоговая формула для определения длины канатных вставок имеет вид:
где:
- расстояния от точки Е до точек А и В соответственно;
- расстояние от точки О) до отрезка, соединяющего точки А и В;
- расстояние между проекциями точек крепления передних и задних грузовых канатов к балке на продольную плоскость симметрии.
При подъеме вертолетом груза на внешней подвеске, как правило, происходит закрутка груза вокруг каната подвеса на несколько оборотов. При наборе горизонтальной скорости вертолетом болеем 50 км/ч, происходит аэродинамическая стабилизация груза по набегающему потоку за счет вертикального оперения (киля), установленного на хвостовой части балки.
Для предотвращения закрутки груза при отделении от балки необходимо исключить силовые возмущения на груз в процессе разделения, что обеспечивается применением пиротехнических узлов разделения груза, установленных в передней и задней частях балки, и их одновременным срабатыванием при подаче электропитания на пиросредства. Наиболее рационально в качестве пиротехнических узлов использовать пирозамки, которые при срабатывании обладают наименьшим уровнем нестационарных силовых воздействий (ударных перегрузок) на конструкцию груза.
По первому и второму вариантам все канаты и канатные вставки могут быть выполнены по ГОСТ 3088-80.
Внешняя подвеска вертолета (по первому варианту) работает следующим образом.
При взлете вертолета 1 из-за разницы длин переднего грузового каната 6 и заднего грузового каната 7, с закрепленной к нему канатной вставкой 15, (длину которой предварительно рассчитывают по формуле (1), исходя из веса крупногабаритного груза), балка 8 с подвешенным к ней через посадочные места крупногабаритным грузом 12 имеют положение, повернутое от требуемого при сбросе груза на заданный угол, определяемый длиной канатных вставок (фиг.1). При полете вертолета 1 с ненулевой горизонтальной скоростью аэродинамические силы действуют на балку 8 и груз 12, что приводит к отклонению центрального каната внешней подвески 3 от вертикали на угол, зависящий от приборной скорости полета на данной высоте. При достижении скорости, заданной условиями осуществления сброса, угол отклонения центрального каната 3 становится равен углу поворота сборки балки 8 с грузом 12 при нулевой скорости полета вертолета, благодаря чему груз принимает положение, требуемое для осуществления его сброса (фиг.4). Курсовая стабилизация сборки балки 8 с грузом 12 обеспечивается благодаря наличию на балке 8, выполненной, например, в виде рамы ферменной конструкции, хвостовой части 10 и вертикального оперения 11. После достижения требуемых параметров полета, из кабины вертолета 1 по электрокабелю, проложенному по центральному канату 3, например, переднему грузовому канату 6 и балке 8, к пирозамкам 9, подается команда на сброс груза 12. Сброс груза 12 происходит путем раскрытия установленных на балке 8 пирозамков 9. Затем осуществляется последующий возврат вертолета 1 с внешней подвеской на аэродром.
Внешняя подвеска вертолета по второму варианту работает аналогичным образом, как и по первому варианту.