Двигатель вертолета служит для вращения несущего винта. Если на вертолете имеется несколько несущих винтов, то они могут приводиться во вращение от одного общего двигателя или каждый от отдельного двигателя, но так, чтобы вращение винтов было строго синхронизировано.

Назначение двигателя на вертолете отличается от назначения двигателя на самолете, автожире, дирижабле, так как в первом случае он вращает несущий винт, посредством которого создает как тягу, так и подъемную силу, в остальных же случаях он вращает тянущий винт, создавая только тягу «ли силу реакции газовой струи (на реактивном самолете), также дающей только тягу.

Если на вертолете установлен поршневой двигатель, то в его конструкции должен быть учтен ряд особенностей, присущих вертолету.

Вертолет может летать при отсутствии поступательной скорости, т. е. висеть неподвижно относительно воздуха. В этом случае отсутствует обдув и охлаждение двигателя, водо-радиатора и маслорадиатора, в результате чего возможен перегрев двигателя и выход его из строя. Поэтому на вертолете целесообразней применять двигатель не водяного, а воздушного охлаждения, так как последний не нуждается в тяжелой и громоздкой системе жидкостного охлаждения, для которой на вертолете потребовались бы очень большие поверхности охлаждения.

Двигатель воздушного охлаждения, обычно устанавливаемый на вертолете в туннеле, должен иметь привод для вентилятора принудительного обдува, который обеспечивает охлаждение двигателя на режиме висения и при горизонтальном полете, когда скорость относительно невелика.

В этом же туннеле устанавливается маслорадиатор. Регулировка температуры двигателя и масла может осуществляться путем изменения величины входного или выходного отверстий туннеля при помощи подвижных заслонок, управляемых из кабины летчика вручную или автоматически.

Авиационный поршневой двигатель обычно имеет номинальное число оборотов порядка 2000 в минуту. Понятно, что полное число оборотов двигателя на винт передавать нельзя, так как при этом концевые скорости лопастей будут настолько велики, что вызовут возникновение скоростного срыва потока. Из этих соображений число М на концах лопастей должно быть не более 0,7-0,8. Кроме того, при больших центробежных силах несущий винт был бы тяжелой конструкции.

Подсчитаем, какова величина максимально допустимых оборотов несущего винта диаметром в 12 м, при которых число М концов лопастей не превышает 0,7 для высоты полета в 5000 м при скорости полета в 180 км/час,

Итак, двигатель для вертолета обязательно должен иметь редуктор с высокой степенью редукции.

На самолете двигатель всегда жестко соединен с винтом. Прочный, малого диаметра цельнометаллический винт легко выдерживает рывки, сопровождающие запуск поршневого двигателя, когда он резко набирает несколько сот оборотов. Винт вертолета, имеющий большой диаметр, далеко разнесенные от оси вращения массы п, следовательно, большой момент инерции, не рассчитан на резкие переменные нагрузки в плоскости вращения; при запуске может произойти повреждение лопастей от пусковых рывков.

Поэтому необходимо, чтобы в момент запуска несущий винт вертолета был отсоединен от двигателя, т. е. двигатель должен запускаться вхолостую, без нагрузки. Обычно это осуществляется введением в конструкцию двигателя фрикционной и кулачковой муфт.

Перед запуском двигателя муфты должны быть выключены, при этом вращение вала двигателя на несущий винт не передается.

Однако без нагрузки двигатель может развить очень большие обороты (дать раскрутку), которые вызовут его разрушение. Поэтому при запуске до включения муфт нельзя полностью открывать дроссельную заслонку карбюратора двигателя и превышать установленное число оборотов.

Когда двигатель уже запущен, необходимо соединить его с несущим винтом посредством фрикционной муфты.

В качестве фрикционной муфты может служить гидравлическая муфта, состоящая из нескольких металлических дисков, покрытых материалом, обладающим высоким коэффициентом трения. Часть дисков соединена с валом редуктора двигателя, а промежуточные диски соединены с приводом главного вала к несущему винту. До тех пор, пока диски не сжаты, они свободно проворачиваются относительно друг друга. Сжатие дисков осуществляется поршнем. Подача масла с высоким давлением под поршень заставляет поршень передвигаться и постепенно сжимать диски. При этом крутящий момент от двигателя передается на винт постепенно, плавно раскручивая винт.

Счетчики оборотов, установленные в кабине, показывают числа оборотов двигателя и винта. Когда обороты двигателя и винта равны, это означает, что диски гидравлической муфты плотно прижаты друг к другу и можно считать, что муфта соединена по типу жесткого сцепления. В этот момент может быть плавно (без рывков) включена кулачковая муфта.

Наконец, для обеспечения возможности самовращения, несущего винта надо, чтобы винт автоматически отключался от двигателя. До тех пор, пока двигатель работает и вращает винт, кулачковая муфта находится в зацеплении. При отказе же двигателя его обороты быстро уменьшаются, но несущий винт некоторое время по инерции продолжает вращение с тем же числом оборотов; в этот момент кулачковая муфта выходит из зацепления.

Несущий винт, отсоединенный от двигателя, может продолжать затем вращение на режиме самовращения.

Полет на режиме самовращения с учебными целями производится при выключенном двигателе или при работающем двигателе, в последнем случае обороты его уменьшаются настолько, чтобы винт (с учетом редукции) делал большее число оборотов, чем коленчатый вал двигателя.

После посадки вертолета обороты двигателя сначала уменьшаются, выключается муфта сцепления, а затем останавливается двигатель. При стоянке вертолета винт всегда должен быть заторможен, иначе он может начать вращаться от порывов ветра.

Мощность двигателя вертолета расходуется на преодоление сопротивления вращения несущего винта, на вращение рулевого винта (6-8%), на вращение вентилятора (4-6%) и на преодоление потерь в трансмиссии (5-7%).

Таким образом, несущий винт использует не всю мощность двигателя, а только часть ее. Использование винтом мощности двигателя учитывается коэффициентом, который показывает, какую часть мощности двигателя использует несущий винт. Чем выше этот коэффициент, тем более совершенна конструкция вертолета. Обычно = 0,8, т. е. винт использует 80 % мощности двигателя:

Мощность поршневого двигателя зависит от весового заряда воздуха, всасываемого в цилиндры, или от плотности окружающего воздуха. В связи с тем, что с поднятием на высоту плотность окружающего воздуха уменьшается, постоянно падает также мощность двигателя. Такой двигатель носит название невысотного. С поднятием на высоту 5000-6000 м мощность такого двигателя уменьшается примерно вдвое.

Для того чтобы до определенной высоты мощность двигателя не только падала, а даже увеличивалась, на магистрали всасывания воздуха в двигатель ставят нагнетатель, повышающий плотность всасываемого воздуха. За счет нагнетателя мощность двигателя до определенной высоты, называемой расчетной, возрастает, а затем падает так же, как у невысотного.

Нагнетатель приводится во вращение от коленчатого зала двигателя. Если в передаче от коленчатого вала к нагнетателю имеются две скорости, причем при включении второй скорости увеличиваются обороты нагнетателя, то с поднятием на высоту можно дважды обеспечивать повышение мощности. Такой двигатель имеет уже две расчетные высоты.

На вертолетах, как правило, устанавливаются двигатели с нагнетателями.

На сегодняшний день люди изобрели множество разных видов техники, которая может не только перемещаться по дорогам, но и летать. Самолеты, вертолеты и другие летательные аппараты позволили исследовать воздушное пространство. Вертолетные двигатели, которые потребовались для нормальной работоспособности соответствующих машин отличаются высокой мощностью.

Общее описание устройства

В настоящее время такие агрегаты бывают двух типов. Первый вид - это поршневые или же Второй вид - воздушно-реактивные моторы. Кроме того, в качестве вертолетного двигателя может выступать еще и ракетный. Однако он обычно применяется не в качестве основного, а кратковременно включается в работу машины, когда необходима дополнительная мощность, к примеру, во время посадки или же взлета техники.

Раньше довольно часто использовались для установки на вертолеты. У них была одновальная схема, однако они достаточно сильно стали вытесняться другими типами оборудования. Особенно сильно это стало заметно на многодвигательных вертолетах. На такой технике наиболее широкое распространение получили двухвальные турбовинтовые вертолетные двигатели с так называемой свободной турбиной.

Двухвальные агрегаты

Отличительная черта таких устройств была в том, что у турбокомпрессора отсутствовала прямая механическая связь с несущим винтом. Применение двухвальных турбовинтовых агрегатов считалось довольно эффективным, так как они позволяли наиболее полно использовать силовое устройство вертолета. Все дело в том, что в таком случае частота вращения несущего винта техники не зависела от частоты вращения турбокомпрессора, это в свою очередь позволяло подбирать оптимальную частоту под каждый режим полета отдельно. Если говорить другими словами, то двухвальный турбовинтовой вертолетный двигатель обеспечивал эффективную и надежную работу силовой установки.

Реактивный привод винта

В вертолетах также используется реактивный привод винта. В таком случае окружное усилие будет прикладываться непосредственно к самим лопастям винта, не применяя при этом тяжелой и сложной механической трансмиссии, которая бы заставляла вращаться весь винт целиком. Чтобы создать такое окружное усилие, используются либо автономные реактивные двигатели, которые располагаются на лопастях несущего винта, либо прибегают к истечению газа (сжатому воздуху). В данном случае выходить газ будет через специальные сопловые отверстия, которые располагаются на конце каждой лопасти.

Что касается экономичной работы реактивного привода, то здесь она будет уступать механическому. Если выбирать наиболее экономичный вариант только среди реактивных устройств, то лучшим является турбореактивный двигатель, который располагается на лопастях винта. Однако конструктивно создать такое приспособление оказалось слишком трудно, именно поэтому широкого практического применения такие приборы не получили. Из-за этого заводы вертолетных двигателей не стали заниматься его массовым производством.

Первые модели турбовальных устройств

Первые турбовальные двигатели были созданы еще в 60-70 гг. Необходимо упомянуть, что в то время такое оборудование полностью отвечало всем запросам не только гражданской авиации, но и военной. Такие агрегаты были способны обеспечить паритет, а в некоторых случаях и превосходство над изобретениями конкурентов. Наиболее массовое производство вертолетных двигателей турбовального типа обеспечивалось за счет сборки модели ТВ3-117. Стоит отметить, что этот аппарат имел несколько разных модификаций.

Кроме него, хорошее распространение получила также модель Д-136. До выхода этих двух моделей выпускались Д-25В и ТВ2-117, однако на тот момент они уже не могли оказать конкуренцию новым двигателям, а потому их производство прекратили. Однако справедливо будет сказать, что их было выпущено достаточно много, и они все еще установлены на тех видах воздушного транспорта, которые были выпущены достаточно давно.

Градация оборудования

В середине 80-х годов возникла необходимость в унификации устройства вертолетного двигателя. Чтобы решить поставленную задачу, все турбовальные и турбовинтовые двигатели, имеющиеся на тот момент, было решено привести к общему типоразмерному ряду. Данное предложение было принято на правительственном уровне, а потому возникло деление на 4 категории.

Первая категория - это устройства мощностью 400 л. с., вторая - 800 л. с., третья - 1600 л. с. и четвертая - 3200 л. с. Помимо этого, было разрешено создание еще двух моделей вертолетного газотурбинного двигателя. Их мощность составляла 250 л. с. (0 категория) и 6000 л. с. (5 категория). Кроме этого, подразумевалось, что каждая категория этих устройств будет способна формировать мощность на 15-25 %.

Дальнейшее развитие

Для того чтобы полностью обеспечить развитие и строительство новых моделей, ЦИАМ провела достаточно обширную научно-исследовательскую работу. Это позволило получить научно-технический задел (НТЗ), по которому будет идти развитие данного направления.

В таком НТЗ указывалось, что принцип работы вертолетных двигателей будущих поколений должен строиться на простом принципе термодинамического цикла Брайтона. В этом случае развитие и строительство новых агрегатов будет перспективным. Что касается конструктивного исполнения новых моделей, то они должны быть с одновальным газогенератором, а силовая турбина с выводом вала мощности вперед через данный газогенератор. Кроме этого, в конструкцию должен входить и встроенный редуктор.

В соответствии со всеми требованиями научно-технического задела на Омском МКБ были начаты работы по изготовлению такой модели двигателя для вертолета, как ТВ ГДТ ТВ-0-100, мощность этого аппарата должна была составлять 720 л. с., а применять его было решено на такой машине, как Ка-126. Однако в 90-е годы все работы были остановлены, несмотря на то что в тот период устройство было достаточно совершенным, а также имело возможность форсировать мощность до таких показателей, как 800-850 л. с.

Производство на ОАО «Рыбинские моторы»

В это же время на ОАО «Рыбинские моторы» занимались доводкой такой модели двигателя, как ТВ ГДТ РД-600В. Мощность устройства составляла 1300 л. с., а использовать его планировали для такого типа вертолета, как Ка-60. Газогенератор для такого агрегата был выполнен по достаточно компактной схеме, в которую входил четырехступенчатый центробежный компрессор. В нем были 3 осевых ступени и 1 центробежная. Частота вращения, которую обеспечивал такой агрегат, достигала 6000 об/мин. Отличным дополнением было и то, что такой двигатель дополнительно снабжался защитой от пыли и грязи, а также от попадания других посторонних предметов. Данный тип двигателя прошел множество разнообразных испытаний, а его окончательная сертификация была завершена в 2001 году.

Далее стоит отметить, что параллельно с доработкой этого мотора специалисты работали над созданием турбовинтового двигателя ТВД-1500Б, который планировалось применять на вертолетах модели Ан-38. Мощность данной модели всего на 100 л. с. выше и, таким образом, составляла 1400 л. с. Что касается газогенератора, то его схема и комплектация были такими же, как и на модели РД-600В. При их разработке, создании и комплектации планировалось, что они будут составлять базу для семейства таких двигателей, как турбовальные, турбовинтовые.

Мотоцикл с вертолетным двигателем

На сегодняшний день производство различного рода техники продвинулось достаточно широко. Это справедливо практически для всех отраслей, включая производство мотоциклов. Каждый производитель старался всегда сделать свою новую модель более уникальной и оригинальной, чем у конкурентов. Из-за такого стремления не так давно компания Marine Turbine Technologies выпустила первый мотоцикл, в конструкцию которого входил вертолетный двигатель. Естественно, что данное изменение сильно затронуло как конструктивную часть машины, так и ее технические характеристики.

Параметры техники

Естественно, что характеристики мотоцикла, который имеет в своем распоряжении двигатель от вертолета, обладает также уникальными техническими параметрами. Кроме того, что такое нововведение позволило разогнать мотоцикл до практически немыслимых 400 км/ч, есть и другие свойства, на которые также стоит обратить свое внимание.

Во-первых, объем топливного бака у такой модели составляет 34 литра. Во-вторых, вес техники достаточно сильно увеличился и составляет 208,7 кг. Мощность такого мотоцикла составляет 320 лошадиных сил. Максимальная возможная скорость, которую удалось развить на таком аппарате - 420 км/ч, а размер его колесных дисков составляет 17 дюймов. Последнее, о чем стоит сказать, так это о том, что работа вертолетного двигателя сильно сказалась и на процессе разгона, из-за чего техника достигает своего предела за считаные секунды.

Первое такое творение, которое компания Marine Turbine Technologies показала миру, называлось Y2K. Тут можно добавить, что точное время разгона до 100 км/ч занимает всего полторы секунды.

Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что отрасль по созданию вертолетных двигателей прошла достаточно долгий путь, а нынешнее развитие технологий позволило применять продукцию даже в такой технике, как мотоциклы.

ВЕРТОЛЁТЫ

Рис. 1. К объяснению принципа полёта вертолёта

Несущий винт (НВ) служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе.
При вращении в горизонтальной плоскости НВ создает тягу (Т), направленную вверх и т.о. выполняет роль создателя подъёмной силы (Y). Когда тяга НВ будет больше веса вертолета (G), вертолет без разбега оторвется от земли и начнет вертикальный набор высоты. При равенстве веса вертолета и тяги НВ вертолет будет неподвижно висеть в воздухе. Для вертикального снижения достаточно тягу НВ сделать несколько меньше веса вертолета. Сила (P) для поступательного движения вертолета обеспечивается наклоном плоскости вращения НВ при помощи системы управления винтом. Наклон плоскости вращения НВ вызывает соответствующий наклон полной аэродинамической силы, при этом ее вертикальная составляющая будет удерживать вертолет в воздухе, а горизонтальная - вызывать поступательное перемещение вертолета в соответствующем направлении.

Рис. 2. Основные части вертолета:

1 – фюзеляж; 2 – авиадвигатели; 3 – несущий винт; 4 – трансмиссия;5 – хвостовой винт;
6 – концевая балка; 7 – стабилизатор; 8 – хвостовая балка; 9 – шасси

Фюзеляж является основной частью конструкции вертолета, служащей для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудо-вания. Он имеет хвостовую и концевую балки для размещения хвостового винта вне зоны вращения НВ, и крыла (на некоторых вертолетах крыло устанавливается с целью увеличения максимальной скорости полета за счет частичной разгрузки – (МИ-24)). Силовая установка (двигатели) является источником механической энергии для приведения во вращение несу-щего и рулевого винтов. Она включает в себя двигатели и системы, обеспечивающие их работу (топливную, масляную, систему охлаждения, систему запуска двигателей и др.).
НВ служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе, и состоит из лопастей
и втулки НВ. Трансмиссия служит для передачи мощности от двигателя к несущему и рулевому винтам. Составными элементами трансмиссии являются валы, редукторы и муфты. Рулевой винт (РВ) (бывает тянущий и толкающий) служит для уравновешивания реактив-ного момента, возникающего при вращении НВ, и для путевого управления вертолетом. Сила тяги РВ создает момент относительно центра тяжести вертолета, уравновешивающий реактивный момент от НВ. Для разворота вертолёта достаточно изменить величину тяги РВ. РВ так же состоит из лопастей и втулки.

Система управления (СиУпр) вертолета состоят из ручного и ножного управления. Они включают командные рычаги (ручку управления, рычаг «шаг-газ» и педали) и системы проводки к НВ и РВ. Управление НВ-ом производится при помощи специального устрой-ства, называемого автоматом перекоса. Управление РВ производится от педалей.

Взлетно-посадочные устройства (ВПУ) служат опорой вертолета при стоянке и обеспе-чивают перемещение вертолета по земле, взлет и посадку. Для смягчения толчков и ударов они снабжены амортизаторами. Взлетно-посадочные устройства могут выполняться в виде колесного шасси, поплавков и лыж.

Рис. 3. Общий вид конструкции вертолёта (на примере боевого вертолёта МИ-24П).

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИНСТИТУТ УПРАВЛЕНИЯ И ИННОВАЦИЙ АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В.В. Дудник

КОНСТРУКЦИЯ ВЕРТОЛЕТОВ

Ростов-на-Дону

УДК 629.7 (075)

Д 81

Д 81 Дудник В.В. Конструкция вертолетов. – Ростов н/Д: Издательский дом ИУИ АП, 2005. – 158 с.

ISBN 5-94596-015-2

В учебном пособии излагаются: состав, назначение, устройство и процесс конструирования основных агрегатов и систем; конструктивно-силовые и кинематические схемы агрегатов, конструкций деталей и узлов агрегатов.

Для слушателей программы профессиональной переподготовки по направлению «Вертолетостроение», а также для специалистов-практиков.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Института управления и инноваций

авиационной промышленности

Научный редактор:

доктор технических наук, профессор И.В.Богуславский

ISBN 5-94596-015-2

© Дудник В.В., 2005 г. © Издательский дом ИУИ АП, 2005 г.

ВВЕДЕНИЕ

В наши дни трудно представить себе человечество без летательных аппаратов. Достойное место в ряду воздушных судов занимают вертолеты – летательные аппараты тяжелее воздуха, использующие несущий винт для перемещения в воздушной среде. Так как вертолетостроение сравнительно молодая сфера деятельности в ней идет активное изменение конструкции и технологии изготовления агрегатов. За последние годы стали применяться такие нововведения как сверхкритические трансмиссионные валы, активные гасители шума и вибрации, многозамкнутые лонжероны лопастей, монококовые фюзеляжи, гребни хвостовой балки и ряд других. К сожалению, Россия по ряду причин отстала в применении некоторых инноваций. В соответствии с этим необходимо стремиться к тому, чтобы максимально использовать опыт, накопленный в мировом вертолетостроении.

В данном учебном пособии предпринята попытка восполнить пробелы в освещении современных технологий, поэтому им уделено несколько больше внимания.

Главы 5 и 8 написаны совместно с Олейником Николаем Ивановичем.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЕРТОЛЕТАХ

1.1. Классификация вертолетов

В настоящее время в мире производится несколько десятков типов вертолетов. Они имеют различное назначение, размеры и характеристики, однако основным критерием классификации вертолета принято считать его взлетную массу. Существует несколько мнений о весовой классификации. Зачастую она устанавливается законодательными актами того или иного государства. Так в российской гражданской авиации вертолеты разделены в зависимости от максимальной взлетной массы на четыре класса.

1 класс – 10т и более,

2 класс – от 5 до 10т,

3 класс - от 2 до 5т,

4 класс – до 2т.

На практике вертолеты чаще делят на сверхлегкие, легкие, средние, тяжелые. Здесь предлагается один из вариантов деления.

До 700кг – сверхлёгкие; 700-5000кг – лёгкие; 5000-15000кг – средние;

свыше 15000кг – тяжёлые.

Самым тяжелым вертолетом в мире был советский вертолет Ми-12 (105т), а среди серийных машин – Ми-26 (56т).

Несколько особняком в этом ряду стоят беспилотные вертолеты, использующиеся для разведки, мониторинга окружающей среды и сельхозобработки, взлетная масса которых колеблется от 80 до 1000кг.

Кроме того, вертолеты классифицируются по назначению как:

пассажирские; боевые; транспортные; сельскохозяйственные;

поисково-спасательные и другие.

Наличие на борту двигателей позволяет классифицировать воздушные суда по числу двигателей – одно, двух и трехдвигательные, и по типу – поршневые и газотурбинные.

Еще одной важной характеристикой является схема вертолета. Схему вертолета определяет способ уравновешивания реактивного момента несущего винта. В настоящее время применяют одно и двухвинтовую схему. Разрабатывавшиеся в Советском Союзе и США трех и даже четырехвинтовые схемы не нашли широкого применения.

Одновинтовая схема – предполагает наличие одного несущего винта и устройства, компенсирующего реактивный момент несущего винта. В качестве устройства компенсирующего реактивный момент обычно используется рулевой винт, но в некоторых случаях применяют и другие механизмы (рисунок 1а, б).

Двухвинтовая схема предполагает наличие двух несущих винтов, имеющих разнонаправленное вращение. Реактивные моменты таких винтов взаимно компенсируются. В свою очередь двухвинтовые вертолеты по расположению несущих винтов могут иметь:

∙ соосную схему – несущие винты противоположного вращения располагаются один над другим (рисунок 1в);

∙ продольную схему – синхронизированные между собой винты размещаются один впереди другого с наличием небольшой зоны перекрытия (рисунок 1г);

∙ поперечную схему – винты располагаются справа и слева от фюзеляжа (рисунок 1д);

∙ схему с пересекающимися винтами – две оси вращения наклонены под углом друг к другу (рисунок 1е).

В настоящее время в России преобладают вертолеты фирмы Камова и Миля. Первые вертолеты собственной разработки появились у Казанского вертолетного завода. Попытки разработки вертолетов легкого класса делаются на Украине. Основными европейскими производителями вертолетов являются консорциумы – Еврокоптер, состоящий из французской корпорации Еврокоптер Франц и немецкой Еврокоптер Дойчланд и АгустаВестланд, состоящий из итальянской ком-

пании Агуста и английской Вестланд. Корпорации Боинг, Сикорский и Белл являются наиболее крупными в США. Большую активность в этом секторе рынка последние годы проявляют компании Польши и ЮАР. В классе сверхлегких вертолетов успешно работают фирмы таких стран, как США, Бельгия, Италия, Канада. Японские фирмы Ямаха и Фуджи активно продвигают беспилотные сельскохозяйственные вертолеты.

Кроме того, следует отметить, что на североамериканском континенте большой популярностью пользуются другие винтокрылые летательные аппараты – одно-двухместные автожиры. Их производством занимается сразу несколько фирм.

Абсолютное большинство производителей вертолетов в мире использует одновинтовую схему. Летательные аппараты построенные по таким принципам создает фирма Миля. Соосную применяют на вертолетах фирмы Камова и на некоторых зарубежных беспилотных аппаратах. Поперечная схема применяется в настоящее время только на конвертопланах фирмы Белл, разработанных самостоятельно и в кооперации с фирмой Агуста. Продольную схему используют транспортные вертолеты фирмы Боинг. Схема с перекрещивающимися винтами является весьма сложной и применяется только фирмой Каман (США).

1.2. Создание вертолетов

Процесс создания нового вертолета или модификации существующего достаточно сложен и состоит из нескольких этапов (рисунок 2). Для принятия решения о начале проектирования вертолета или модификации должна накопится «критическая» масса требований. Эти требования вырабатывают различные службы:

∙ инженерные – на основе анализа разработок других фирм и собственных исследовательских работ, подготовленных к внедрению;

∙ маркетинга – на основе анализа текущих и перспективных потребностей рынка;

∙ эксплуатации – на основе анализа замечаний и предложений эксплуатирующих организаций;

∙ стилиста (дизайнера) – на основе анализа современных тенденций дизайна, с целью создания привлекательного облика вертолета.

Рисунок 1. Различные схемы расположения несущих винтов.

а – одновинтовая схема с рулевым винтом (вертолет Ми-28, Россия), б – одновинтовая схема с системой NOTAR (MD500, США), в – соосная (Ка-50, Россия), г – продольная (CH-47, США), д – поперечная (BA609, США-Италия), е - схема с пересекающимися винтами (K-MAX, США).

Требования зачастую находятся в противоречии друг с другом, поэтому после анализа их важности, срочности и стоимости вырабатывается компромиссный вариант, максимально отвечающий всем службам. На его основании осуществляется предварительное проектирование, в ходе которого выполняются аэродинамические и другие расчеты, определяется общая геометрия, состав оборудования, принимаются решения по наиболее важным техническим решениям, вырабатывается компоновка летательного аппарата. После выполнения предварительного производится рабочее проектирование. На этом этапе разрабатываются трехмерные модели деталей, узлов и агрегатов, выполняется их расчет на прочность, на основании которого принимается решение об облегчении или упрочнении элементов конструкции. На основании окончательной трехмерной модели составляется рабочая документация. Учитывая высокую степень компьютеризации авиационного производства, иногда производители используют упрощенную систему документации, в которой, например, чертеж детали показывает общий вид, но не имеет размерных данных. Потребители же такого чертежа всегда могут получить необходимую информацию с разработанной компьютерной модели расположенной в корпоративной сети. Результаты проектирования передаются в производство, где сперва происходит изготовление макетного образца, а затем и реального вертолета. Если модификация летательного аппарата не предполагает значительных изменений этап изготовления макетного образца может отсутствовать.

Летные и статические испытания подтверждают правильность расчетов. Следует отметить, что каждый этап, следующий после проектирования, приводит к частичному изменению конструкции вследствие устранения выявляемых недостатков. Результатом всей этой работы становится сертификат, разрешающий эксплуатацию летательного аппарата в той или иной стране мира. Для того, чтобы получить сертификат, воздушное судно должно соответствовать нормам летной годности, действующим на данной территории. Как правило, отдельно существуют нормы для гражданских и

военных вертолетов. Эти документы регламентируют показатели, которым должен удовлетворять весь аппарат или отдельные его агрегаты. Например, указывается какую величину ветра должен выдержать вертолет на том или ином режи-

Рисунок 2. Упрощенная схема процесса создания вертолета.

ме полета или какую шумность он не может превышать в зависимости от взлетного веса. Значительную часть норм составляют нормы прочности. Они рассматривают различные варианты нагружения аппарата в полете, на взлете и посадке, при стоянке и перемещении по аэродрому. Соответственно все случаи делятся на летные, посадочные и земные.

Любой вертолет классической схемы состоит из следующих компонент, при этом некоторые из них могут быть объединены в одном устройстве:

• Голова;
• Вал ОР;
• Канопи (обьекатель);
• Рама;
• Хвостовая балка;
• Хвостовой ротор;
• Сервоприводы автомата перекоса;
• Сервопривод угла поворота лопастей ХР;
• Двигатель;
• Регулятор двигателя (если электрическая модель);
• Основная шестерня;
• Вал ХР или ремень ХР;
• Топливный бак или силовая батарея;
• Регулятор бортового питания;
• Аккомулятор бортового питания;
• Приемник;
• Гироскоп.

Теперь распишем каждый компонент поподробнее.

Голова

Голова - одна из важнейших частей вертолета, от её качества сборки их настройки на прямую зависят летные характеристики модели.

В голове современного вертолета используются как пластиковые, так и металлические части. При этом - далеко не всегда действует правило, что чем больше металла - тем лучше:) Тут дело в том - что производитель моделей разрабатывает их таким образом, что бы в случае аварии выходила из строя не вся голова, а только определенные части, которые относительно не дорого стоят и легко заменяются. Поэтому конечно металлическая голова хорошо и красиво - но далеко не всегда на много лучше пластиковой. Хотя тенденция последнего времени - поголовный переход на металл, сейчас практически не встретить серьезные вертолеты с пластиковыми головами.

Вал ОР

Передает вращающее усилие на голову. По большому счету - расходный материал, так как выходит из строя (гнется) практически при любом самом незначительном инциденте. Материал вала и его размеры специально так сделаны. Уж лучше погнется вал - чем другие, более дорогие детали.

Обтекатель (канопи)

Канопи - это защитный колпак, надеваемый на переднюю часть вертолета. Служит для защиты аккумулятора и электроники при неудачной встрече с землей, улучшает аэродинамику и внешний вид модели. Изготавливается из стекловолокна, иногда из пластика (на дешевых моделях). Поставляются в 3 вариантах:

Окрашенные;

Белые под покраску;

Белые в комплекте с наклейками.

Существует ряд небольших компаний, которые специализируются на эксклюзивных канопи под заказ, и стоят они очень даже не дешево:)

Рама

Рама - основной элемент вертолета,то, благодаря чему все компоненты вертолета соединяются вместе:) Основные задачи рамы:

• Соединить все компоненты вертолета;
• Защитить дорогую и хрупкую электронику в случае краша (от английского Crash - авария вертолета);
• Обеспечить удобное и грамотное размещение компонентов внутри рамы;
• Обеспечить грамотную и правильную разводку проводов;
• Обеспечить удобный и быстрый доступ к компонентам для настройки и обслуживания.

Рамы можно разделить по следующим признакам:

Материал изготовления

Карбон. Лучший материал на данный момент, дающий максимальную крепкость и минимальный вес. Из недостатков - если сломалась - то уже сломалась, выкидываем и покупаем новую, ну и конечно - высокая цена.

Карбон снаружи, внутри стеклотекстолит. Этим последнее время грешат многие производители, особенно часто встречается на недорогих клонах (Клон - подделка вертолета известного бренда, естественно, более низкой цены. Качество сильно варьируется, есть практически не отличимые от оригинала, есть и откровенный хлам). Такие рамы хоть и менее крепкие по сравнению с настоящими карбоновыми, но при этом зачастую гораздо дешевле их. На вид практически не отличимы от карбновых.

Алюминиевые рамы. Последнее время встречаются всё реже, вытесняемые карбоновыми и пластиковыми рамами.

Алюминий приятен тем – что в случае серьёзного краша он не ломается – а гнётся – есть шанс выправить и продолжить летать. Но по остальным параметрам он проигрывает карбновым рамам.Так же часто встречается на очень дешёвых китайских клонах. При покупке такого нужно учитывать, что первое, на чём начинают экономить китайцы – на материале. Алюминий в таких рамах очень плохого качества, мягкий и гнётся пальцами. Такая рама не защищает ни от чего.

Пластиковые рамы. Встречаются как на дешёвых китайских поделках, так и на серьёзных брендовых моделях.

Естественно, качество пластика там и там отличается в разы. Большой плюс пластика в том – что можно делать рамы практически любой формы, при этом не сильно себя ограничивая. Ещё неоспоримым преимуществом пластика является то – что он в отличии от карбона - одинаково крепок во всех плоскостях, а карбон – только в плоскостях волокон.

Конструкция рамы

Рама собирается из двух половинок.

Рама состоит из четырёх частей.

Такие рамы менее крепкие, чем цельные.

Хвостовая балка

Несущий элемент конструкции вертолета.

Для того, что бы получить быструю, четкую и мощную отработку хвоста - то есть управление вращением вертолета вокруг оси - хвостовой ротор выносят на определенное расстояние от центра масс вертолета. Внутри балки проходит привод вращения ХР (если модель использует для вращения ХР мощность основного двигателя) или провода питания (на небольших электрических моделях, которые для вращения ХР используют отдельный небольшой двигатель на хвосте).

В качестве привода на вертолетах используют ремень или вал. Каждая конструкция имеет как плюсы, так и минусы. Подробнее обсудим их позже:) Балки ХР изготавливаются из алюминия, хотя последнее время появляются карбоновые апгрейды.

Хвостовая балка является расходным материалом, при краше вероятность её повредить - максимальна.

Хвостовой ротор

Так же, как и голова, может быть полностью алюминиевым или пластиковым, или частично и тем и тем. Конструктивно похож на верхнюю часть головы, только без автомата перекоса.

Сервоприводы автомата перекоса

Основные управляющие элементы. С помощью них управляется автомат перекоса.

Используется три штуки. Побираются так, что бы они имели одинаковые характеристики, и очень желательно - одного производителя, ибо, кто их китайцев знает, напишут одно, положить другое, в результате легко можно получит не линейность работы головы - одна из серв будет обгонять другие или отклонятся на больший угол.

Сервоприводы разделяют:

По типу управления:

• Цифровые;
• Аналоговые.

Цифровые имеют ряд преимуществ, таких как:

• Большая точность
• Большая скорость
• Большее усилие

Так же они имеют один недостаток - большее энергопотребление, но достоинства цифровых сервомашинок с лихвой перевешивают этот небольшой недостаток.

По типу применяемых двигателей:

• Обычные;
• Безколлекторные.

Безколлекторные сервомашинки позволяют развить большее усилие, более надёжны и при этом потребляют меньше энергии. Но это пока новинка, стоят дорого:)

По материал применяемых в редукторе шестеренок:

• Полностью металлические редукторы;
• Полностью пластиковые редукторы;
• Карбоновые редукторы;
• Титановые редукторы;
• Редукторы, использующие разные материалы (например, половина шестреней пластик, другая половина - металл).

Металлические редукторы более надёжны и крепки, в случае краша меньше вероятность выходая сервы из строя. Но при этом - иногда проще перебрать машинку и поменять шестерни. При этом цена металлических машинок выше. В общем - вечный спор, каждый выбирает по своему вкусу и кошельку.

Сервопривод угла поворота лопастей ХР

Это дополнительный сервопривод. Обычно отличается от сервоприводов автомата перекоса. Подбирается более быстрая серва и с большим усилием, так как при выполнении фигур высшего пилотажа - на данную серву приходятся очень большие нагрузки. Если сервы автомата перкоса можно встретить как аналоговые, так и цифровые, то сервы управления хвостом сейчас ставят в основном цифровые.

Хвостовые сервы ставят как внутри рамы вертолёта

так и на хвостовую балку

Стоит подчеркнуть, что серва, убранная в раму - более предпочтительный вариант - так как в случае краша - меньше вероятность того, что эта серва будет повреждена (проводку сервы и саму серву защищает рама).

Двигатель

Главный элемент, без которого вертолёт не летает:)

Соответсвенно, двигатели бывают электрические, ДВС и турбины. Более подробную классификацию я давал в статье о классификации вертолётов. Все современные вертолёты используют бесколлекторные двигатели.

Регулятор двигателя

В радиоуправляемом вертолёте используются достаточно мощные двигатели, которые потребляют большие токи и требуют серьёзных напряжений. Как пример, вертолёты 600-го класса сейчас поголовно переходят на так называемое HV-питание (HighVolt) - это означает, что двигатель питается от 2-х LiPo батарей, общим напряжением в 44 вольта и при этом токи достигают 80 ампер. Вот и посчитайте, какая там мощность. Естественно, что бы регулировать такие токи, приходится использовать отдельный высокомощный контроллер питания, который так же ещё называют ESC (Electronic Speed Control).

Вообще, основная задача регулятора - получить управляющий сигнал с приёмника - и выдать на двигатель ровно столько мощности, сколько соответствует сигналу. Эта задача хоть и кажется не такой сложной на первый взгляд, на самом деле очень сложна. Ибо на двигатель в полёте постоянно действует переменная нагрузка, при этом во время работы аккумулятор просаживается, плюс надо учитывать, что под конец полёта аккумуляторы выдают меньшую мощность, чем в начале, а этот странный пилот не хочет ничего слышать и требует лишь того - что бы у него всегда обороты ротора были стабильны и строго соответствовали значению, которое он задал. А если учесть то, что на производителей регуляторов накладываются ещё и ограничения по масса-габаритным характеристикам - то вы сможете представить - на сколько это сложное и тонкое устройство. Так же при выборе регулятора необходимо учитывать и то, что часто некачественные регуляторы становятся причиной пожаров, и сэкономив на данном элементе вы можете получить прекрасный костёр, в котором сгорит много более дорогой электроники.

Основная шестерня с обгонным подшипником

Основная шестерня и пиньон двигателя (небольшая шестерня, одеваемая непосредственно на вал двигателя) - образуют своеобразный редуктор, который позволяет уменьшить скорость вращения ОР до разумных приделов и увеличить мощность вращающего момента.

Так же внутри этого блока смонтирован обгонный подшипник. Его задача - в случае отключения двигателя - позволить лопастям вращаться по инерции. Шестерни делают пластиковыми. Чаще всего зубцы на шестерни и пиньоне - прямые.

Последнее время появилась тенденция использовать косые зубцы. По заверению производителей они позволяют увеличить площадь зацепа зубьев и заодно уменьшить шум.

Вал ХР или ремень ХР

Для передачи вращающего момента на ХР в вертолётах используется 2 типа передачи:

• Передача с помощью вала;
• Ременная передача.

Каждая из этих передач имеет свои достоинства и недостатки.

Ременная передача

• Простота;
• Дешевизна;
• Стойкость к крашам.

• Необходимо постоянно поддерживать натяжение ремня;
• Возможно возникновение статического напряжения из за трения о стенки балки ХР;
• Высокая вибрация.

Передача с помощью вала

• Низкая вибрация (при использовании нормальных подшипников и отбалансированного вала);
• Отсутсвие статического напряжения;
• Нет необходимости натягивать и подтягивать, как ремень.

• Достаточно небольшого зацепа задними лопостями о землю - и выходят из строя шестерни.

Топливный бачок

Вмещает объем топлива, достаточный для полёта в течении 5-10 минут, в зависимости от модели. Конструкция бачка выполнена таким образом, что бы обеспечить непрерывное поступление топлива в двигатель вертолёта.

Аккумуляторные батареи

Существующие электрические модели вертолётов требуют очень мощных батарей для питания силовой установки и электронного оборудования (сервоприводов, гироскопов, приёмников и т.д.), установленных на вертолёт.

Сейчас используют два типа аккумуляторов:

• LiPo - литий-полимерные;
• LiFePo - литий-железо-фосфатные.

Самые распространённые - LiPo .

• Большая энергоёмкость;
• Неплохая токоотдача;
• Низкий саморозряд;
• Незначительный перепад напряжения по мере разряда.

• Пожароопасность при заряде/разряде;
• Плохо работают при отрицательных температурах;
• Небольшое количество циклов заряда-разряда (качественные выдерживают 200-300 циклов);
• Очень чувствительные к переразряду.

Напряжение на одной банке -3.7В. Часто объединяют несколько банок в один пак. Соответственно, напряжение увеличивается (напряжение пака = количество банок умноженное на 3,7В). При этом при заряде пака из нескольких банок необходимо балансировать их. То есть зарядить паки таким образом - что бы их напряжение было одинаково. Расбалансировка приводит к тому - что одна из банок разряжается быстрее - и в результате может произойти переразряд - что скорее всего приведёт к смерти всего пака.

LiFePo появились позже.

Обладают рядом преимуществ по сравнению с LiPo, но пока не получили широкого распространения в среде вертолётчиков.

Преимуещества:

• Меньший саморазряд;
• Большее количество циклов;
• Устойчивость к температурам;
• Устойчивость к переразряду/перезаряду;
• Больший ток разряда (порядка 30С постоянный, 100C импульсом);
• Больший ток заряда (можно зарядить за несколько минут).

Но есть и недостатки:

• Сами банки всегда имеют круглую форму (ограничение на толщину пака).

Регулятор бортового питания

Всё бортовое оборудование (окромя силовой части) - требует питающего напряжения в пределах от 4,5В до 7В. А напряжение, выдаваемое силовыми аккумуляторами - может составлять и 44В. Соответственно, что бы запитать бортовое оборудование - необходимо поставить специальный преобразователь, который будет выдавать требуемое напряжение.

Этот регулятор называется BEC (Battery Elimination Circuit). Часто BEC интегрируют сразу в ESC - регулятор двигателя. Но так же встречаются варианты с отдельным BEC, например, на вертолётах с ДВС, которые для бортового питания используют отдельную батарею, или на мощных вертолётах, в ESC которых BEC просто не предусмотрен.

Аккумулятор бортового питания

Встречаются конфигурации вертолётов, когда для питания аппаратуры используется помимо отдельного BEC ещё и отдельный аккумулятор.

Все эти ухищрения преследуют только одну цель - уменьшить вероятность краша. В полёте возможна ситуация, когда из строя выйдет ESC, или ещё какие проблемы с силовыми аккумуляторами - и что бы иметь шанс управлять вертолётом и всё же спасти его - ставят дополнительный небольшой аккумулятор, от которого через BEC и запитывают бортовое оборудование (приёмник, сервоприводы, гироскоп).

Приёмник

Основной управляющий элемент вертолёта. К приёмнику подключаются сервы, гироскоп, ESC. По сути - приёмник, это устройство, которое принимает команды по радиоканалу, расшифровывает их и передаёт в исполняющие устройства.

Вообще, современные радиомодели используют следующие диапазоны частот:

• 26МГц;
• 27МГц;
• 35МГц;
• 40МГц;
• 41МГц;
• 50МГц;
• 72МГц;
• 75МГц;
• 2,4ГГц.

Тенденция последнего времени - отказ от низких частот и переход на частоты диапазона 2,4ГГц. Это связанно с тем - что данный диапазон более помехозащищён, требует меньших по размеру передающей и приёмной части и т.д. В общем - 2,4 - лучше всего для вертолётов.

Понять, какой диапазон использует модель - довольно просто. Во первых - производитель обязан указывать, какой диапазон использует аппаратура, которую он продаёт, а во вторых - достаточно взглянуть на передатчик или приёмник. Если передатчик использует длинную выдвижную антенну на подобе удочки - а приёмник имеет длинную антенну в виде провода - то значит диапазон мегагерцовый.

Если антенна передатчика небольшая и напоминает антенну роутера, а приёмник имеет короткие усики - значит аппаратура 2,4ГГц.

Гироскоп

Последний по списку, но далеко не последний по важности и цене компонент вертолёта.

Задача гироскопа - удержать хвост вертолёта в том положении, в котором мы его оставили. Во время полёта хвост всё время стремится “уплыть”. Например, мы увеличили обороты двигателя, соответственно, и ХР начал вращаться быстрее и создавать большую силу при существующем угле положения лопастей ХР. Значит - хвост начнёт уходить в ту или иную сторону. Задача гироскопа - вовремя почувствовать этот эффект и скорректировать положение хвоста - уменьшив угол лопастей ХР. Гироскоп позволяет пилоту не подруливать всё время, пытаясь удержать хвост в нужном положении.

Уфф. Честно говоря - я сам не ожидал, что эта статья получится столь большой. Поэтому - принцип полёта модели вертолёта мы всё же рассмотрим в следующей статье:)

Хотите еще? Много интересного о вертолетах, теория и практика, обучение пилотажу и многое другое на...