Projektovanje motora za sportske avione i helikoptere. Kako radi helikopter? Proizvodnja u OJSC Rybinsk Motors
Danas su ljudi izmislili mnogo različitih vrsta tehnologije koja ne samo da se može kretati po cestama, već i letjeti. Avioni, helikopteri i drugi avioni omogućili su istraživanje zračnog prostora. Helikopterski motori, koji su bili potrebni za normalan rad odgovarajućih mašina, veoma su snažni.
Opšti opis uređaja
Trenutno, takve jedinice dolaze u dvije vrste. Prvi tip su klipni motori ili drugi tip su motori koji dišu zrak. Osim toga, raketni motor može djelovati i kao helikopterski motor. Međutim, obično se ne koristi kao glavni, već se nakratko uključuje u rad stroja kada je potrebna dodatna snaga, na primjer, prilikom slijetanja ili polijetanja.
Ranije su se često koristili za ugradnju na helikoptere. Imali su dizajn s jednom osovinom, ali su ih počele prilično snažno zamjenjivati druge vrste opreme. To je postalo posebno vidljivo na višemotornim helikopterima. U ovoj vrsti tehnologije najviše se koriste dvoosovinski turboelisni helikopterski motori sa tzv. slobodnom turbinom.
Dvoosovinske jedinice
Posebnost takvih uređaja bila je da turbopunjač nije imao direktnu mehaničku vezu s glavnim rotorom. Korištenje turboelisnih jedinica s dvije osovine smatralo se prilično učinkovitom, jer su omogućile da se u potpunosti iskoristi struktura snage helikoptera. Stvar je u tome što u ovom slučaju brzina rotacije glavnog rotora opreme nije ovisila o brzini rotacije turbopunjača, što je zauzvrat omogućilo odabir optimalne frekvencije za svaki način leta posebno. Drugim riječima, dvoosovinski turboelisni helikopterski motor osigurao je efikasan i pouzdan rad elektrane.
Pogon mlaznog propelera
Helikopteri također koriste pogon mlaznog propelera. U ovom slučaju, obodna sila će se primijeniti direktno na same lopatice propelera, bez korištenja teškog i složenog mehaničkog prijenosa koji bi prisilio cijeli propeler da se okreće. Da bi se stvorila takva obodna sila, koriste se ili autonomni mlazni motori, koji se nalaze na lopaticama rotora, ili pribjegavaju odljevu plina (komprimirani zrak). U tom slučaju, plin će izaći kroz posebne rupe za mlaznice, koje se nalaze na kraju svake oštrice.
Što se tiče ekonomičnog rada reaktivnog pogona, ovdje će on biti inferiorniji od mehaničkog. Ako odaberete najekonomičniju opciju samo među mlaznim uređajima, onda je najbolji turbomlazni motor, koji se nalazi na lopaticama propelera. Međutim, konstruktivno stvaranje takvog uređaja pokazalo se previše teškim, zbog čega takvi uređaji nisu dobili široku praktičnu upotrebu. Zbog toga tvornice helikopterskih motora nisu započele masovnu proizvodnju.
Prvi modeli turboosovinskih uređaja
Prvi turboosovinski motori stvoreni su još 60-70-ih godina. Treba napomenuti da je u to vrijeme takva oprema u potpunosti zadovoljavala sve potrebe ne samo civilnog, već i vojnog zrakoplovstva. Takve jedinice su bile u stanju da obezbede paritet, au nekim slučajevima i superiornost nad izumima konkurenata. Najmasovnija proizvodnja turboosovinskih helikopterskih motora ostvarena je montažom modela TV3-117. Vrijedi napomenuti da je ovaj uređaj imao nekoliko različitih modifikacija.
Pored toga, popularan je postao i model D-136. Prije izlaska ova dva modela proizvodili su se D-25V i TV2-117, ali u to vrijeme više nisu mogli konkurirati novim motorima, pa je njihova proizvodnja obustavljena. Međutim, pošteno je reći da ih je proizvedeno dosta, a još uvijek se instaliraju na one vrste zračnog transporta koji su pušteni u prodaju prilično davno.
Gradacija opreme
Sredinom 80-ih pojavila se potreba za objedinjavanjem dizajna helikopterskog motora. Kako bi se riješio problem, odlučeno je da se svi turboosovinski i turboelisni motori dostupni u to vrijeme dovedu u zajednički raspon veličina. Ovaj prijedlog je prihvaćen na nivou Vlade, pa je nastala podjela na 4 kategorije.
Prva kategorija su uređaji sa kapacitetom od 400 KS. s., drugi - 800 l. s., treći - 1600 l. With. i četvrti - 3200 l. With. Osim toga, odobrena je izrada još dva modela helikopterskog gasnoturbinskog motora. Njihova snaga je bila 250 KS. With. (0 kategorija) i 6000 l. With. (kategorija 5). Uz to, pretpostavljeno je da će svaka kategorija ovih uređaja biti sposobna proizvesti energiju za 15-25%.
Dalji razvoj
Kako bi u potpunosti osigurao razvoj i konstrukciju novih modela, CIAM je sproveo prilično opsežan istraživački rad. Time je omogućeno dobijanje naučno-tehničke osnove (NTR) prema kojoj će se odvijati razvoj ovog područja.
Ovaj NTZ je ukazao da bi princip rada helikopterskih motora budućih generacija trebao biti zasnovan na jednostavnom principu Braytonovog termodinamičkog ciklusa. U ovom slučaju, razvoj i izgradnja novih blokova će biti obećavajući. Što se tiče dizajna novih modela, oni bi trebali imati jednoosovinski plinski generator, te energetsku turbinu sa izlazom pogonskog vratila naprijed kroz ovaj plinski generator. Osim toga, dizajn bi trebao uključivati i ugrađeni mjenjač.
U skladu sa svim zahtjevima naučne i tehničke podloge, u Omskom dizajnerskom birou započeli su radovi na proizvodnji takvog modela helikopterskog motora kao što je TV GDT TV-0-100, snaga ovog uređaja trebala je biti 720 KS. . s., te je odlučeno da se koristi na mašini kao što je Ka-126. Međutim, 90-ih su svi radovi zaustavljeni, unatoč činjenici da je u to vrijeme uređaj bio prilično napredan, a imao je i mogućnost povećanja snage do pokazatelja poput 800-850 KS. With.
Proizvodnja u OJSC Rybinsk Motors
U isto vrijeme, Rybinsk Motors OJSC je fino podešavao takav model motora kao što je TV GDT RD-600V. Snaga uređaja bila je 1300 litara. s., a planirano je da se koristi za takav tip helikoptera kao što je Ka-60. Generator plina za takvu jedinicu napravljen je prema prilično kompaktnom dizajnu, koji je uključivao četverostepeni centrifugalni kompresor. Imao je 3 aksijalne i 1 centrifugalni stepen. Brzina rotacije koju je omogućila takva jedinica dostigla je 6000 o/min. Odličan dodatak bio je da je takav motor dodatno opremljen zaštitom od prašine i prljavštine, kao i od ulaska drugih stranih predmeta. Ovaj tip motora prošao je mnoga različita ispitivanja, a njegova konačna certifikacija je završena 2001. godine.
Nadalje, vrijedno je napomenuti da su paralelno sa usavršavanjem ovog motora, stručnjaci radili na stvaranju turboprop motora TVD-1500B, koji je planiran za korištenje na helikopterima An-38. Snaga ovog modela je samo 100 KS. With. veći i tako iznosio 1400 litara. With. Što se tiče plinskog generatora, njegov raspored i oprema bili su isti kao kod modela RD-600V. Prilikom njihovog razvoja, stvaranja i konfiguracije planirano je da oni budu osnova za porodicu motora kao što su turboosovina i turboelisni.
Motocikl sa helikopterskim motorom
Danas je proizvodnja raznih vrsta opreme dosta napredovala. To vrijedi za gotovo sve industrije, uključujući proizvodnju motocikala. Svaki proizvođač se uvijek trudio da svoj novi model učini jedinstvenijim i originalnijim od svojih konkurenata. Zbog te želje, Marine Turbine Technologies je nedavno objavio prvi motocikl koji je pokretao helikopterski motor. Naravno, ova promjena je u velikoj mjeri utjecala kako na strukturni dio stroja tako i na njegove tehničke karakteristike.
Parametri opreme
Naravno, karakteristike motocikla koji ima na raspolaganju helikopterski motor imaju i jedinstvene tehničke parametre. Osim što je ovakva inovacija omogućila ubrzanje motocikla do gotovo nezamislivih 400 km/h, postoje i druga svojstva na koja također vrijedi obratiti pažnju.
Prvo, zapremina rezervoara za gorivo ovog modela je 34 litre. Drugo, težina opreme je prilično porasla i iznosi 208,7 kg. Snaga ovog motocikla je 320 konjskih snaga. Maksimalna moguća brzina koja se može postići na takvom uređaju je 420 km/h, a veličina njegovih felgi je 17 inča. Posljednja stvar koju treba spomenuti je da je rad helikopterskog motora uvelike utjecao na proces ubrzanja, zbog čega oprema dostiže svoj limit za nekoliko sekundi.
Prva takva kreacija koju je Marine Turbine Technologies pokazala svijetu zvala se Y2K. Ovdje možemo dodati da tačno vrijeme ubrzanja do 100 km/h traje samo jednu i po sekundu.
Da sumiramo sve navedeno, možemo reći da je industrija proizvodnje helikopterskih motora prešla dug put, a trenutni razvoj tehnologije omogućio je korištenje proizvoda čak i u opremi kao što su motocikli.
Glavne lopatice rotora helikoptera moraju biti izgrađene tako da, stvarajući potrebnu silu dizanja, mogu izdržati sva opterećenja koja se na njih stavljaju. I ne samo da bi izdržali, već bi imali i marginu sigurnosti za sve vrste nepredviđenih slučajeva koji se mogu dogoditi tokom leta i održavanja helikoptera na zemlji (na primjer, oštar nalet vjetra, uzlazni tok zraka, oštar manevar, zaleđivanje lopatica, nesposobna rotacija propelera nakon pokretanja motora, itd.).
Jedan od načina projektovanja za odabir glavnog rotora helikoptera je režim vertikalnog penjanja na bilo kojoj visini odabranoj za proračun. U ovom načinu rada, zbog nedostatka translacijske brzine u ravnini rotacije propelera, potrebna je snaga veća.
Poznavajući približnu težinu helikoptera koji se projektuje i određujući veličinu korisnog tereta koji će helikopter morati podići, počinju da biraju propeler. Odabir propelera svodi se na odabir promjera propelera i broja njegovih okretaja u minuti pri kojima bi propeler mogao vertikalno podići projektno opterećenje uz najmanji utrošak snage.
Poznato je da je potisak glavnog rotora proporcionalan četvrtom stepenu njegovog prečnika i samo drugoj stepenu broja obrtaja, tj. potisak koji razvija glavni rotor više zavisi od prečnika nego od broja obrtaja. revolucija. Stoga je lakše dobiti dati potisak povećanjem prečnika nego povećanjem broja okretaja. Tako, na primjer, povećanjem prečnika za 2 puta, dobijamo potisak 24 = 16 puta veći, a udvostručavanjem broja obrtaja dobijamo samo 22 = 4 puta veći potisak.
Poznavajući snagu motora koji će biti instaliran na helikopter za pogon rotora, prvo odaberite prečnik rotora. Za to se koristi sljedeći omjer:
Lopatica rotora radi u veoma teškim uslovima. Na njega djeluju aerodinamičke sile koje ga savijaju, uvijaju, kidaju i teže da otkinu kožu od njega. Da bi se „oprela“ takvim aerodinamičkim silama, oštrica mora biti dovoljno jaka.
Kada letite po kiši, snijegu ili oblacima sa uslovima koji pogoduju zaleđivanju, rad oštrice postaje još teži. Kapi kiše, udarajući o oštricu ogromnom brzinom, skidaju boju s nje. Kada dođe do zaleđivanja na lopaticama, formiraju se izrasline leda koje iskrivljuju njegov profil, ometaju njegovo zamašno kretanje i otežavaju ga. Prilikom skladištenja helikoptera na tlu, nagle promjene temperature, vlažnosti i sunčeve svjetlosti imaju destruktivan učinak na oštricu.
To znači da oštrica ne samo da mora biti jaka, već mora biti i imuna na utjecaje vanjskog okruženja. Ali kad bi samo ovo! Tada bi se oštrica mogla napraviti potpuno metalna, prekrivši je antikorozivnim slojem i problem bi bio riješen.
Ali postoji još jedan zahtjev: oštrica, osim ovoga, mora biti i lagana. Zbog toga se izrađuje šuplja konstrukcija oštrice koja se temelji na metalnoj cijevi, najčešće čeličnoj cijevi promjenjivog poprečnog presjeka, čija se površina postepeno ili stepenasto smanjuje od korijenskog dijela do kraja oštrice. .
Spar, kao glavni uzdužni element sile oštrice, apsorbira posmične sile i moment savijanja. U tom pogledu, rad lopatice je sličan onom lopatice krila aviona. Međutim, lopatica je također podložna centrifugalnim silama kao rezultat rotacije rotora, što nije slučaj sa krilom aviona. Pod uticajem ovih sila, letvica oštrice je podložna napetosti.
Čelične prirubnice su zavarene ili pričvršćene zakovicama za spoj za pričvršćivanje skupa poprečne sile - rebara oštrice. Svako rebro, koje može biti metalno ili drveno, sastoji se od zidova i polica. Metalni omotač se lijepi ili zavaruje na metalne police, šperploča se lijepi ili zavaruje na drvene police, ili se šperploča lijepi na vrh, a platnena obloga se šije na rep, kao što je prikazano. U pramčanom dijelu profila, rebraste prirubnice su pričvršćene za prednji stringer, au repnom dijelu - za stražnji stringer. Stringers služe kao pomoćni uzdužni elementi čvrstoće.
Koža koja pokriva prirubnice rebara formira profil oštrice u bilo kojem dijelu. Najlakši je laneni pokrivač. Međutim, kako bi se izbjeglo izobličenje profila kao rezultat deformacije platnenog pokrivača u područjima između rebara, rebra sečiva moraju se postavljati vrlo često, otprilike 5-6 cm jedno od drugog, što čini oštrica teža. Površina oštrice sa slabo rastegnutom platnenom oblogom izgleda rebrasto i ima niske aerodinamičke kvalitete, jer je njen otpor visok. Tokom jedne revolucije, profil takve oštrice se mijenja, što doprinosi pojavi dodatnih vibracija helikoptera. Stoga je obloga od tkanine impregnirana drogom, koja, kako se suši, snažno rasteže tkaninu.
Prilikom izrade obloga od šperploče, povećava se krutost oštrice, a razmak između rebara se može povećati za 2,5 puta u odnosu na oštrice prekrivene tkaninom. Kako bi se smanjio otpor, površina šperploče se glatko obrađuje i polira.
Dobri aerodinamični oblici i velika čvrstoća mogu se postići izradom šuplje potpuno metalne oštrice. Poteškoća u njegovoj proizvodnji leži u izradi lamela promjenjivog poprečnog presjeka, koji čini luk profila. Repni dio profila lopatice izrađen je od kućišta od lima, čije su prednje ivice zavarene u ravni sa špalirom, a zadnje ivice spojene zakovicama.
Profil lopatice rotora helikoptera je odabran na način da se povećanjem napadnog ugla javlja zastoj protoka pri najvećim mogućim napadnim uglovima. Ovo je neophodno kako bi se izbjeglo zastoj protoka na lopatici koja se povlači, gdje su napadni uglovi posebno visoki. Osim toga, kako bi se izbjegle vibracije, profil mora biti odabran tako da se položaj centra pritiska ne mijenja kada se promijeni kut napada.
Veoma važan faktor za snagu i performanse sečiva je relativni položaj centra pritiska i težišta profila. Činjenica je da je pod kombinovanim djelovanjem savijanja i torzije oštrica podložna samopobuđenoj vibraciji, odnosno vibraciji sve veće amplitude (lepršanja). Da bi se izbjegle vibracije, oštrica mora biti izbalansirana u odnosu na tetivu, odnosno položaj težišta na tetivi mora biti osiguran na način da se spriječi samonarastanje vibracija. Zadatak balansiranja svodi se na to da težište profila konstruirane lopatice bude ispred centra pritiska.
Nastavljajući sa razmatranjem otežanih uslova rada lopatice rotora, treba napomenuti da se oštećenje drvene kože lopatice kapima kiše može sprečiti jačanjem ivice lima duž njene prednje ivice.
Borba protiv zaleđivanja oštrica je teži zadatak. Ako takve vrste zaleđivanja u letu kao što su mraz i inje ne predstavljaju veliku opasnost za helikopter, onda staklast led, postepeno i neprimjetno, ali izuzetno čvrsto raste na lopatici, dovodi do utezanja oštrice, izobličenja njenog profila i, na kraju, do smanjenja sile dizanja, što dovodi do oštrog gubitka upravljivosti i stabilnosti helikoptera.
Nekadašnja teorija da će se led otkinuti u letu zbog pomaka lopatica pokazala se neutemeljenom. Zaleđivanje sečiva počinje prvo na dijelu korijena, gdje je savijanje oštrice tokom njenog pomaka malo. Nakon toga, sloj leda počinje da se širi sve dalje i dalje prema kraju oštrice, postepeno nestajući. Postoje slučajevi kada je debljina leda na dijelu korijena dostigla 6 mm, a na kraju oštrice - 2 mm.
Postoje dva načina da spriječite zaleđivanje.
Prvi način- ovo je pažljivo proučavanje vremenske prognoze u području leta, izbjegavanje oblaka koji se nailaze na putu i promjena visine leta kako bi se izašlo iz stanja zaleđivanja, zaustavljanje leta itd.
Drugi način- opremanje noževa uređajima protiv zaleđivanja.
Čitav niz ovih uređaja poznat je po helikopterskim lopaticama. Da biste uklonili led sa lopatica rotora, možete
treba koristiti sredstvo za odmrzavanje alkohola, koje prska alkohol na prednju ivicu propelera. Potonji, kada se pomiješa s vodom, snižava točku smrzavanja i sprječava stvaranje leda.
Led se s lopatica rotora može otkinuti zrakom, koji se upumpava u gumenu komoru položenu duž prednje ivice rotora. Komora za naduvavanje razbija ledenu koru, čiji se pojedinačni komadi zatim odbacuju sa lopatica propelera nadolazećim strujanjem vazduha.
Ako je prednja ivica lopatice rotora napravljena od metala, tada se može zagrijati ili električnom energijom ili toplim zrakom koji prolazi kroz cjevovod položen duž prednje ivice rotora.
Budućnost će pokazati koja će od ovih metoda naći širu primjenu.
Za aerodinamičke karakteristike glavnog rotora od velike je važnosti broj lopatica glavnog rotora i specifično opterećenje površine koju rotor briše. Teoretski, broj lopatica rotora može biti bilo koji, od jednog beskonačno velikog broja, toliko velikog da se na kraju spajaju u spiralnu površinu, kao što se pretpostavljalo u projektu Leonarda da Vincija ili u helikopteru-biciklu I. Bykova.
Međutim, postoji određeni broj oštrica koje su najpovoljnije. Broj lopatica ne smije biti manji od tri, jer kod dvije lopatice nastaju velike neuravnotežene sile i fluktuacije potiska propelera. Prikazana je promjena potiska glavnog rotora oko njegove prosječne vrijednosti tokom jednog okretaja rotora za jednokrake i dvokrake propelere. Propeler s tri lopatice praktički održava prosječnu vrijednost potiska tijekom cijele revolucije.
Broj lopatica rotora također ne bi trebao biti jako velik, jer u ovom slučaju svaka lopatica radi u strujanju poremećenom prethodnom lopaticom, što smanjuje efikasnost glavnog rotora.
Što je više lopatica propelera, to zauzimaju veći dio površine diska. U teoriju rotora helikoptera uveden je koncept faktora punjenja o, koji se izračunava kao omjer ukupne površine
Za projektni režim rada glavnog rotora helikoptera (strmi uspon), najpovoljnija vrijednost faktora punjenja je 0,05-0,08 (prosječna vrijednost 0,065).
Ovo opterećenje je prosječno. Lako opterećenje je opterećenje u rasponu od 9-12 kg/m2. Helikopteri koji nose takav teret su manevarski i imaju veliku brzinu krstarenja.
Helikopteri opće namjene imaju prosječno opterećenje u rasponu od 12 do 20 kg/m2. I konačno, veliko opterećenje, koje se rijetko koristi, je opterećenje od 20 do 30 kg/m2.
Činjenica je da, iako visoko specifično opterećenje na obrađenom području pruža veliku nosivost helikoptera, ako motor pokvari, takav će se helikopter brzo spustiti u samorotirajućem režimu, što je neprihvatljivo, jer je u ovom slučaju sigurnost helikoptera. spuštanje je ugroženo.
Da bi helikopter imao visoke performanse i bio efikasno vozilo kojim se lako upravlja, mora ispuniti niz zahtjeva. Ovi zahtjevi se mogu podijeliti na opšte za sve avione (AC) i posebne, ovisno o namjeni i karakteristikama borbene upotrebe.
Opšti zahtjevi uključuju:
- - dobijanje zadatih podataka o performansama leta, dovoljne karakteristike stabilnosti i upravljivosti uz najniže troškove energije;
- - dovoljna (ali ne pretjerana) čvrstoća i krutost konstrukcije, osiguravajući apsorpciju pogonskih opterećenja bez zaostalih deformacija i odsustva opasnih vibracija;
- - visoka borbena sposobnost preživljavanja, odnosno sposobnost aviona da nastavi izvršavanje misije nakon izlaganja neprijateljskom ubojitim oružjem;
- - pouzdanost dizajna, koja zavisi od njegove savršenosti, kvaliteta izrade, uslova rada;
- - obradivost dizajna, odnosno mogućnost obimne mehanizacije i automatizacije proizvodnih procesa, korištenje procesa visokih performansi (štancanje, valjanje, zavarivanje itd.), visok stepen standardizacije dijelova i sklopova;
- - minimalna težina konstrukcije, koja se osigurava racionalnim izborom materijala, strujnih krugova, kao i pojašnjenjem postojećih opterećenja;
- - jednostavnost upotrebe, obezbeđena dovoljnim brojem operativnih konektora, otvora za pregled i rad na opremi, minimalnim brojem komponenti i sistema koji zahtevaju podešavanje, kao i upotrebom efektivnih kontrolnih sredstava;
- - mogućnost održavanja, odnosno mogućnost brzog i jeftinog obnavljanja oštećenih dijelova, što se osigurava zamjenjivosti glavnih dijelova i elemenata, te širokom primjenom modularnih konstrukcija;
- - sigurnost leta obezbeđena pouzdanošću opreme, dobrim aerodinamičkim karakteristikama, upotrebom specijalne automatike koja olakšava pilotiranje i signalizacijom približavanja opasnih uslova leta.
Mnogi od ovih zahtjeva su kontradiktorni. Tokom projektovanja helikoptera, ove kontradikcije se prevazilaze donošenjem kompromisnih odluka ili razvojem fundamentalno novih dizajna.
Zbog sve veće složenosti vazduhoplovne tehnologije i sve većih zahteva za nivoom bezbednosti letenja, značaj ergonomskih zahteva za JTA je značajno povećan. Ergonomski zahtjevi svode se na prilagodljivost aviona, njegove pilotske kabine, upravljačkih poluga, instrumentacije i druge opreme fiziološkim i psihološkim mogućnostima osobe za što efikasnije korištenje sposobnosti kako aviona tako i pilota. U tom smislu, ispravna raspodjela funkcija između JIA automatizacije i pilota je vrlo važna.
Ergonomski zahtjevi uključuju higijenske, antropometrijske, fiziološke i psihofiziološke zahtjeve za LA. Higijenski zahtjevi se svode na usklađenost sa standardima mikroklime i ograničavanje utjecaja štetnih faktora okoline na čovjeka (buka, vibracije, temperatura, itd.). Antropometrijski zahtjevi određuju veličinu kabine, komandne upravljačke poluge, njihovu lokaciju u skladu s visinom osobe, dužinom njegovih udova itd. Fiziološki zahtjevi određuju veličinu kontrolnih sila u skladu sa mogućnostima ljudskog tijela. Psihofiziološki zahtjevi karakterišu prilagodljivost aviona i instrumenata karakteristikama ljudskih osjetilnih organa.
Pored gore navedenih općih zahtjeva, helikopteri podliježu posebnim zahtjevima koji odražavaju specifičnosti njihovog dizajna, načina leta, načina stvaranja uzgona, upravljanja i tako dalje.
Posebni zahtjevi uključuju:
- - obezbeđivanje vertikalnog poletanja i sletanja, lebdenja na zadatoj visini;
- - osiguravanje sigurnog slijetanja u samorotirajućem režimu glavnog rotora (RO) u slučaju kvara elektrane;
- - dozvoljeni nivo vibracija.
Prilikom razvoja vojnog helikoptera on podliježe posebnim zahtjevima koji su određeni njegovom namjenom i uslovima borbene upotrebe, takozvanim taktičko-tehničkim zahtjevima (TTT). Oni postavljaju karakteristike leta neophodne za efikasno izvršavanje dodeljenih borbenih misija: maksimalnu brzinu, domet leta, plafon, nosivost, posadu, neophodnu opremu i oružje. TTT su razvijeni uzimajući u obzir trenutni nivo razvoja nauke i tehnologije i neposredne izglede za njihov razvoj.
Klasifikacija helikoptera prema karakteristikama dizajna
Helikopter je letjelica u kojoj podizanje i potisak za let prema naprijed stvaraju lopatice jednog ili više rotirajućih propelera. Za razliku od krila aviona, NV lopatice se okreću nadolazećim tokom ne samo tokom leta naprijed, već i kada rade na mjestu. Ovo helikopteru daje mogućnost da nepomično lebdi, uzlijeće i slijeće okomito.
Tokom nastajanja i razvoja helikoptera testiran je veliki broj različitih dizajna, od najjednostavnijih do složenih kombinovanih aviona. Kao rezultat toga, neuspješni projekti su odbačeni i identificirani su održivi dizajni helikoptera koji se trenutno koriste.
Glavni kriterij za razliku između ovih shema je broj i lokacija rotora. U zavisnosti od broja helikoptera, helikopteri mogu biti jednorotorni, dvorotorni ili višerotorni. Moderni helikopteri se grade samo pomoću dizajna s jednim i dva rotora.
Dizajn sa jednim rotorom odlikuje se relativno malom težinom i najvećom jednostavnošću dizajna i upravljačkog sistema. Međutim, da bi se izbalansirao moment potiska takvog helikoptera, potreban je repni rotor, koji troši do 10% snage elektrane. Postavlja se na dugačku gredu, što povećava veličinu i težinu helikoptera i stvara opasnost za operativno osoblje.
Nedostatak helikoptera s jednim rotorom je i uski raspon dopuštenih poravnanja, jer je njegovo balansiranje moguće pod uvjetom da se centar mase nalazi blizu ose HB osovine.
Propeleri helikoptera s dva rotora rotiraju u suprotnim smjerovima, tako da njihovi reakcioni momenti uravnotežuju jedni druge bez dodatne potrošnje energije.
Uzdužni helikopteri su najčešći među helikopterima s dva rotora zbog niza prednosti:
- - veliki udoban trup;
- - relativno širok raspon dozvoljenih poravnanja zbog mogućnosti preraspodjele potiska između NV;
- - dobra uzdužna stabilnost i upravljivost.
Međutim, longitudinalna shema ima niz ozbiljnih nedostataka:
- - složen i dug prijenos za prijenos snage na propelere i sinhronizaciju njihove rotacije kako bi se izbjegao sudari lopatica;
- - povećan nivo vibracija;
- - složen sistem upravljanja;
- - negativan uticaj prednjeg NV na rad zadnjeg, što dovodi do značajnih gubitaka snage i komplikacije dizajna menjača i tehnika slijetanja u režimu samorotacije NV; Da bi se smanjili štetni efekti, stražnji NV se nalazi više od prednjeg.
Poprečni helikopteri s dva rotora imaju niz pozitivnih kvaliteta:
- - udoban aerodinamičan trup aviona;
- - lakoća utovara i istovara kabine;
- - povoljan međusobni uticaj rotora.
Ozbiljan nedostatak poprečnog dizajna je potreba za posebnim dizajnom za smještaj propelera, koji ima veliki otpor i masu. Da bi se smanjio otpor, ovaj dizajn se može napraviti u obliku krila.
Nedostaci poprečnog dizajna također uključuju uski raspon poravnanja i potrebu za dugim prijenosom za sinkronizaciju NV, poteškoće u osiguravanju stabilnosti i upravljivosti.
Koaksijalni helikopteri s dva rotora imaju najmanje dimenzije. NV koaksijalnog helikoptera nalaze se jedan iznad drugog i ne zahtijevaju sinhronizaciju rotacije, što uvelike pojednostavljuje i olakšava prijenos. Aerodinamička simetrija dizajna pojednostavljuje pilotiranje i nišanjenje.
Međutim, koaksijalni dizajn ima određene nedostatke:
- - složen sistem upravljanja;
- - nedovoljna stabilnost pravca;
- - značajne vibracije;
- - opasnost od sudara između NV lopatica koje rotiraju u suprotnim smjerovima;
- - poteškoće pri slijetanju u režimu samorotacije NV.
Sovjetski dizajneri uspjeli su se nositi s poteškoćama razvoj eksperimentalnih helikoptera ovog dizajna, a oni se masovno proizvode.
U helikopteru s dva rotora sa ukrštenim propelerima, ose HB su smještene na bočnim stranama trupa i nagnute prema van. Zbog gubitaka snage povezanih s nagibom NV-a i vrlo složenog upravljačkog sistema, takva shema nije postala široko rasprostranjena.
Brzina leta helikoptera bilo kojeg dizajna ograničena je uvjetima strujanja oko zračnih snaga. Kako se brzina leta povećava, vrhovi lopatica su pod utjecajem kompresije zraka i ulaze u režim zastoja protoka, što dovodi do jakih vibracija i naglog povećanja potrošnje energije. Stoga maksimalna horizontalna brzina leta konvencionalnih helikoptera ne prelazi 320-340 km/h.
Za dodatno povećanje brzine leta potrebno je rasterećenje NV. U tu svrhu na helikopter je ugrađeno krilo.
Dodatni potisak u pravcu leta helikoptera može se stvoriti propelerom (povlačenjem ili guranjem) ili turbomlaznim motorom. Brzina takvih kombinovanih aviona može dostići 500 km/h i više. Unatoč složenosti dizajna, kombinirani helikopteri obećavaju.
Trenutno su kod nas i u svijetu najrasprostranjeniji helikopteri koji se izrađuju jednorotornom konstrukcijom sa repnim rotorom.
Glavni dijelovi helikoptera, njihova namjena i raspored
U procesu razvoja proizvodnje helikoptera nastao je sasvim definitivan izgled modernog helikoptera.
Glavni dio helikoptera je trup, predviđen za smještaj tereta, posade, opreme, goriva itd. Osim toga, on je pogonska baza na koju se pričvršćuju svi ostali dijelovi helikoptera i prenose opterećenja sa njih. Trup je ojačana konstrukcija tankih zidova. Centralni dio trupa je obično tovarni prostor, a prednji dio je kabina za posadu.
Repna greda 8 i krajnja greda 6 su nastavak trupa i dizajnirani su za smještaj repnog rotora i repa helikoptera.
Motori 1 (obično dva gasnoturbinska motora) ugrađeni su na stropnu ploču središnjeg dijela trupa, čije su izlazne osovine spojene na glavni mjenjač.
Glavni mjenjač raspoređuje snagu koja dolazi iz motora između helikopterskih jedinica. Glavni potrošač snage motora je NV ugrađen na glavnom vratilu mjenjača. Dizajniran je da stvori potisak potreban za let helikoptera, kao i za uzdužno i bočno upravljanje.
Glavni dijelovi NV-a su: čaura 2 i lopatice 3 pričvršćene na nju, koje direktno stvaraju podizanje.
Kada se NV rotira, reaktivni moment djeluje na helikopter, težeći da ga okrene u suprotnom smjeru. Za balansiranje ovog trenutka koristi se repni rotor 5, njegov pogon se izvodi iz glavnog mjenjača kroz sistem osovina i mjenjača. Osim toga, repni rotor služi za upravljanje smjerom helikoptera.
Stajni trap osigurava okretanje helikoptera kada je u stanju mirovanja i kretanja po površini zemlje, kao i smanjenje opterećenja pri slijetanju.
Najrasprostranjeniji je dizajn šasije s tri nosača s prednjim kotačem: glavni oslonci 9 nalaze se iza centar mase helikoptera, prednji 12-ispod nosa trupa. Na brzim helikopterima, stajni trap se može uvući u letu.
Rep je dizajniran da poveća stabilnost helikoptera. Sastoji se od stabilizatora 7 i kobilice, čiju ulogu obično ima posebno profilirana krajnja greda.
Raspored koaksijalnog helikoptera s dva rotora je kompaktan zbog manjeg promjera propelera i odsustva repnog rotora s repnim i krajnjim nosačima. Međutim, koaksijalni raspored NV povećava visinu helikoptera, a nedovoljna stabilnost smjera zahtijeva ugradnju prilično snažnog vertikalnog repa.
FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE
DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA DODATNOG STRUČNOG OBRAZOVANJA
INSTITUT ZA MENADŽMENT I INOVACIJE VAZDUHOPLOVNE INDUSTRIJE
V.V. Angelica
DIZAJN HELIKOPTERA
Rostov na Donu
UDK 629.7 (075)
D 81
D 81 Dudnik V.V. Dizajn helikoptera. – Rostov n/d: Izdavačka kuća IUI AP, 2005. – 158 str.
ISBN 5-94596-015-2
Udžbenik prikazuje: sastav, svrhu, strukturu i proces izgradnje glavnih jedinica i sistema; strukturno-energetske i kinematičke dijagrame jedinica, konstrukcije dijelova i jedinica jedinica.
Za studente programa stručne prekvalifikacije na smeru „Helikopterska tehnika“, kao i za praktičare.
Objavljeno odlukom uređivačko-izdavačkog vijeća Instituta za menadžment i inovacije
avioindustrija
Naučni urednik:
Doktor tehničkih nauka, profesor I.V
ISBN 5-94596-015-2
© Dudnik V.V., 2005. © Izdavačka kuća IUI AP, 2005.
UVOD
IN Danas je teško zamisliti čovečanstvo bez aviona. Dostojno mjesto među zrakoplovima zauzimaju helikopteri - avioni teži od zraka koji koriste glavni rotor za kretanje u zraku. Budući da je proizvodnja helikoptera relativno mlada djelatnost, dolazi do aktivne promjene u dizajnu i tehnologiji izrade jedinica. Posljednjih godina počele su se koristiti inovacije kao što su superkritična transmisiona osovina, aktivni prigušivači buke i vibracija, višestruko zatvorene lopatice, monokok trupa, grebeni repne grane i niz drugih. Nažalost, Rusija je iz više razloga zaostala u primjeni nekih inovacija. U skladu s tim, potrebno je nastojati maksimalno iskoristiti iskustvo stečeno u svjetskoj helikopterskoj industriji.
IN Ovaj udžbenik pokušava da popuni praznine u pokrivanju savremenih tehnologija, pa im se posvećuje malo više pažnje.
Poglavlja 5 i 8 napisana su zajedno sa Oleinikom Nikolajem Ivanovičem.
1. OPĆE INFORMACIJE O HELIKOPTERIMA
1.1. Klasifikacija helikoptera
IN Trenutno se u svijetu proizvodi nekoliko desetina tipova helikoptera. Imaju različite namjene, veličine i karakteristike, ali glavni kriterij za klasifikaciju helikoptera je njegova uzletna težina. Postoji nekoliko mišljenja o klasifikaciji težine. Često se uspostavlja zakonodavnim aktima određene države. Tako su u ruskom civilnom vazduhoplovstvu helikopteri podeljeni u četiri klase u zavisnosti od njihove maksimalne težine pri poletanju.
1. klasa – 10t ili više,
2. klasa – od 5 do 10t,
3 klasa - od 2 do 5t,
4. razred – do 2t.
U praksi se helikopteri često dijele na ultralake, lake, srednje i teške. Evo jedne od opcija podjele.
Do 700 kg – ultra lagana; 700-5000kg – lagana; 5000-15000kg – prosek;
preko 15000 kg – teška.
Najteži helikopter na svijetu bio je sovjetski helikopter Mi-12 (105t), a među proizvodnim vozilima - Mi-26 (56t).
Nešto odvojeno od ove serije su bespilotni helikopteri koji se koriste za izviđanje, praćenje životne sredine i poljoprivrednu obradu, čija se poletna težina kreće od 80 do 1000 kg.
Osim toga, helikopteri se klasificiraju prema namjeni na:
putnik; borba; transport; poljoprivredna;
traganje i spašavanje i drugi.
Prisustvo motora na brodu omogućava da se avioni klasifikuju po broju motora - jedan, dva i tri motora, i po vrsti - klipnim i gasnim turbinama.
Druga važna karakteristika je raspored helikoptera. Dizajn helikoptera određuje način balansiranja momenta rotora. Trenutno se koriste sheme s jednim i dva vijka. Dizajn sa tri, pa čak i četiri vijka razvijeni u Sovjetskom Savezu i Sjedinjenim Državama, nisu naišli na široku upotrebu.
Dizajn sa jednim rotorom - pretpostavlja postojanje jednog glavnog rotora i uređaja koji kompenzira reaktivni moment glavnog rotora. Repni rotor se obično koristi kao uređaj za kompenzaciju reaktivnog momenta, ali u nekim slučajevima se koriste i drugi mehanizmi (slika 1a, b).
Dizajn s dva rotora pretpostavlja prisustvo dva rotora koji se rotiraju u različitim smjerovima. Reaktivni momenti takvih vijaka su međusobno kompenzirani. Zauzvrat, helikopteri s dva rotora, na osnovu lokacije rotora, mogu imati:
∙ koaksijalna shema - rotori koji se suprotno rotiraju nalaze se jedan iznad drugog (slika 1c);
∙ uzdužna shema - vijci koji su sinhronizirani jedan s drugim postavljeni su jedan ispred drugog s malom zonom preklapanja (slika 1d);
∙ poprečni dijagram - propeleri se nalaze desno i lijevo od trupa (slika 1d);
∙ shema sa vijcima koji se ukrštaju - dvije ose rotacije su nagnute jedna prema drugoj pod uglom (slika 1e).
IN Trenutno u Rusiji prevladavaju helikopteri Kamov i Mil. Prvi helikopteri vlastitog dizajna pojavili su se u Kazanskoj helikopterskoj fabrici. U Ukrajini se pokušavaju razviti laki helikopteri. Glavni evropski proizvođači helikoptera su konzorcijumi - Eurocopter, koji čine francuska korporacija Eurocopter Franz i nemački Eurocopter Deutschland i AgustaWestland, koju čine italijanska kompanija
Pania Agusta i engleski Westland. Korporacije Boeing, Sikorsky i Bell najveće su u SAD. Kompanije iz Poljske i Južne Afrike su posljednjih godina vrlo aktivne u ovom sektoru tržišta. Kompanije iz zemalja poput SAD-a, Belgije, Italije i Kanade uspješno posluju u klasi ultralakih helikoptera. Japanske firme Yamaha i Fuji aktivno promovišu poljoprivredne helikoptere bez posade.
Osim toga, treba napomenuti da su na sjevernoameričkom kontinentu vrlo popularni i drugi rotacioni avioni - jednosjedi i dvosjedi žiroplani. Nekoliko kompanija je uključeno u njihovu proizvodnju.
Velika većina proizvođača helikoptera u svijetu koristi dizajn s jednim rotorom. Avione izgrađene po ovim principima kreira kompanija Mil. Koaksijalni se koristi na helikopterima Kamov i na nekim stranim bespilotnim letjelicama. Poprečni dizajn se trenutno koristi samo na letjelicama s nagibom Bell, razvijenim samostalno iu saradnji sa kompanijom Agusta. Uzdužni dizajn koriste Boeing transportni helikopteri. Šema sa ukrštenim vijcima je vrlo složena i koristi je samo Kaman (SAD).
1.2. Izrada helikoptera
Proces stvaranja novog helikoptera ili modifikacije postojećeg prilično je složen i sastoji se od nekoliko faza (slika 2). Da bi se donela odluka da se počne sa projektovanjem helikoptera ili modifikacije, mora se akumulirati „kritična” masa zahteva. Ove zahtjeve razvijaju različite službe:
∙ inženjering - na osnovu analize razvoja drugih kompanija i sopstvenih istraživačkih radova pripremljenih za implementaciju;
∙ marketing - na osnovu analize trenutnih i budućih potreba tržišta;
∙ rad - na osnovu analize komentara i sugestija operativnih organizacija;
∙ stilist (dizajner) - na osnovu analize aktuelnih dizajnerskih trendova, u cilju stvaranja atraktivnog izgleda helikoptera.
Slika 1. Različiti rasporedi rotora.
a – konfiguracija sa jednim rotorom sa repnim rotorom (helikopter Mi-28, Rusija), b – konfiguracija sa jednim rotorom sa sistemom NOTAR (MD500, SAD), c – koaksijalna (Ka-50, Rusija), d – uzdužna ( CH-47, SAD) , d – poprečno (BA609, SAD-Italija), f – dijagram sa vijcima koji se ukrštaju (K-MAX, SAD).
Zahtjevi su često u međusobnom sukobu, pa se nakon analize njihove važnosti, hitnosti i cijene razvija kompromisna opcija koja najbolje odgovara svim uslugama. Na osnovu njega se radi idejni projekat, tokom kojeg se izvode aerodinamički i drugi proračuni, utvrđuje opšta geometrija i sastav opreme, donose odluke o najvažnijim tehničkim rješenjima i izrađuje se raspored aviona. Nakon završenih pripremnih radova, izrađuje se glavni projekat. U ovoj fazi se razvijaju trodimenzionalni modeli dijelova, sklopova i sklopova, izvode se njihovi proračuni čvrstoće, na osnovu čega se donosi odluka o olakšanju ili ojačanju konstrukcijskih elemenata. Na osnovu finalnog trodimenzionalnog modela izrađuje se radna dokumentacija. S obzirom na visok stepen kompjuterizacije proizvodnje u zrakoplovstvu, ponekad proizvođači koriste pojednostavljeni dokumentacijski sistem u kojem, na primjer, crtež dijela prikazuje opći izgled, ali nema dimenzionalne podatke. Potrošači takvog crteža uvijek mogu dobiti potrebne informacije iz razvijenog kompjuterskog modela koji se nalazi na korporativnoj mreži. Rezultati dizajna se prenose u proizvodnju, gdje se prvo proizvodi prototip, a potom pravi helikopter. Ako modifikacija aviona ne uključuje značajne promjene, faza proizvodnje prototipa može izostati.
Letni i statički testovi potvrđuju ispravnost proračuna. Treba napomenuti da svaka faza koja slijedi nakon projektiranja dovodi do djelomične promjene projekta zbog otklanjanja uočenih nedostataka. Rezultat svega ovog rada je sertifikat kojim se odobrava rad aviona u određenoj zemlji sveta. Da bi dobio sertifikat, vazduhoplov mora biti u skladu sa standardima plovidbenosti koji su na snazi na datoj teritoriji. U pravilu postoje posebna pravila za građanske i
vojnih helikoptera. Ovim dokumentima se uređuju pokazatelji koje cijeli uređaj ili njegove pojedinačne jedinice moraju zadovoljiti. Na primjer, naznačeno je koliko vjetra helikopter mora izdržati u određenom načinu rada.
Slika 2. Pojednostavljeni dijagram procesa izrade helikoptera.
trajanje leta ili nivo buke koji ne može premašiti u zavisnosti od težine pri poletanju. Značajan dio standarda su standardi snage. Razmišljaju o različitim opcijama utovara uređaja u letu, prilikom polijetanja i slijetanja, prilikom parkiranja i kretanja po aerodromu. U skladu s tim, svi slučajevi se dijele na let, slijetanje i zemlju.
Danas je helikopter najsvestraniji avion. U mnogim zemljama to se zove " helikopter“, koja je nastala od dvije grčke riječi, u prijevodu znači „spirala“ i „krilo“. Helikopter, koji dugo lebdi na jednom mjestu, tada može letjeti u bilo kojem smjeru, a da se ne okrene. A takođe mu nisu potrebne posebne piste, jer je u stanju da poleti okomito bez "trčanja" i izvrši vertikalno sletanje bez "trčanja". Zahvaljujući tome, helikopteri se široko koriste za transport na teško dostupna mjesta, za gašenje požara, sanitarne i spasilačke poslove.
Glavna razlika između helikoptera i aviona je u tome što polijeće bez ubrzanja i podiže se u okomitom položaju. Helikopter nema krila, ali umjesto toga ima veliki propeler smješten na krovu i mali propeler na repu. Glavna prednost helikoptera je upravljivost. Može dugo lebdjeti u zraku i, osim toga, letjeti u rikverc. Da bi sletio, helikopteru nije potreban aerodrom: može sletjeti na bilo koju ravnu površinu, čak i visoko u planinama.
Početkom dvadesetog veka, Francuz P. Cornu je prvi u svetu upravljao helikopterom. Uspio je doletjeti do visine od 150 centimetara, odnosno visio je u svom izumu negdje na nivou grudi odraslog čovjeka. Tada je ovaj let trajao samo 20 sekundi. Paul Cornu je odlučio da je visina previsoka i da je mnogo riskirao, pa se naknadno vinuo samo sa sigurnosnom mrežom - na povodcu.
Glavni element dizajna koji čini da helikopter poleti, a zatim uzleti u nebo je njegov veliki propeler. Svojim lopaticama stalno zahvata vazduh, zbog čega helikopter leti. Istovremeno, repni rotor sprječava da se tijelo ove leteće ptice okreće u smjeru suprotnom od rotacije glavnog rotora. Ovaj dizajn helikoptera izumio je 1940-ih ruski inženjer.
Kada se glavni rotor helikoptera okreće, javlja se sila reakcije koja ga okreće u suprotnom smjeru. Ovisno o načinu balansiranja ove sile, razlikuju se helikopteri s jednim rotorom i helikopteri s dva rotora. Kod helikoptera s jednim rotorom, sila reakcije se eliminira pomoću pomoćnog repnog rotora, a kod helikoptera s dva rotora, zbog činjenice da se rotori rotiraju u suprotnim smjerovima.
Vrste helikoptera.
Glavna svrha jurišnih helikoptera je poraz neprijateljskih kopnenih ciljeva. Ovo su najbolji vojni helikopteri, zbog čega se takve mašine nazivaju i jurišni helikopteri. Njihovo oružje se sastoji od vođenih protivtenkovskih i avionskih projektila, teških mitraljeza i malokalibarskih topova.
Udarni helikopter može uništiti ogromnu količinu neprijateljske opreme i ljudstva u jednoj borbi. Udarni helikopter Eurocopter Tiger u službi je vojski Francuske, Španije, Njemačke i Australije.
Ruski helikopter Ka-50 smatra se jednim od najupravljivijih jurišnih helikoptera na svijetu. U svijetu je nadaleko poznata pod nadimkom Crna ajkula. Ovaj helikopter je opremljen sa dva velika propelera, a rep mu je poput aviona. Helikopter Black Shark izvodi najsloženiji akrobatski let i sposoban je da lebdi u zraku do 12 sati. Zahvaljujući modernoj automatizaciji, Ka-50 upravlja samo jedan pilot.
1983. godine u američkoj državi Arizona stvoren je jurišni helikopter AN-64 Apache. Njegovo naoružanje uključivalo je automatski brzometni top i 16 vođenih protivtenkovskih projektila. Helikopter Apache može postići brzinu do tri stotine kilometara na sat i letjeti na visini od 6 kilometara. Ovaj helikopter savršeno manevrira kako u mrklom mraku tako iu najgorim vremenskim uslovima. Helikopter Apache je i danas glavni helikopter koji koristi američka vojska.
Transportni helikopter se može koristiti za prevoz putnika i tereta. Ostale vrste helikoptera uključuju specijalni helikopter za spašavanje i lagani istraživački helikopter sa dva sjedišta.
.
Glavni rotor helikoptera: jedan ili više (obično dva) glavnih rotora se koriste za let. Njegove lopatice (do 8 komada) djeluju poput krila aviona i pri rotaciji stvaraju potrebnu silu dizanja. U početku su oštrice bile od metala, a od kasnih pedesetih godina prošlog vijeka od stakloplastike.
Pomoćni rotor služi za eliminaciju sile reakcije koja okreće helikopter u suprotnom smjeru kada se glavni rotor okreće. Ponekad se umjesto propelera na repni nosač može ugraditi mlaznica. Helikopterski motor A pokreće glavne i pomoćne zavrtnje da se rotiraju. Ovo je obično klipni ili mlazni motor.
Pilot u kokpitu V postoji kontrolno kormilo (volan), koje pilot okreće da leti u pravcu koji mu je potreban. Kormilo mijenja nagib lopatica propelera tokom leta, jedan dio kruga koji propeler opisuje bit će spušten niže od drugog i helikopter će letjeti u tom smjeru.
Trup uključuje kokpit, putnički ili tovarni prostor i motorni prostor. Šasija - budući da helikopter ne treba da "džogira" za polijetanje i slijetanje, vrlo često se šasija na kotačima zamjenjuje praktičnijim skijama.
