Автомат перекоса вертолета. Общий принцип управления.

Привет, друзья!

Автомат перекоса вертолета.

Втулка несущего винта с автоматом перекоса вертолета МИ-8.

Снова вернемся к нашим вертолетам :-), этим красивым и удивительным (несмотря на их кажущуюся сегодня обычность) аппаратам. Поговорим немного подробнее о принципах  их управления.

В статье «Как летает вертолет» я этого уже коснулся. Для того чтобы вертолет двигался поступательно, нужен перекос винта,  и создает его такой агрегат, как автомат перекоса вертолета. Вот о нем сегодня и поговорим.

Как известно для вертолета полная аэродинамическая сила — это сумма всех сил, действующих на каждую лопасть в отдельности. Силы эти я бы разделил на искусственные и на естественные.

О естественных. Каждая лопасть имеет определенный вес. Поэтому при вращении с достаточно большой скоростью на нее действует центробежная сила. Есть еще сила сопротивления и конечно подъемная сила лопасти. Вот эту самую подъемную силу вполне можно корректировать силами искусственными. А это как раз и делает автомат перекоса винта вертолета. От него к каждой лопасти протянута специальная тяга, с помощью которой изменяется угол установки лопасти, то есть по сути дела угол атаки и, как следствие, подъемная сила.

Лопасти несущего винта, описывая полный круг вокруг оси при его вращении, обтекаются встречным потоком воздуха по-разному. Полный круг – это 360º. Тогда примем заднее положение лопасти за и далее через каждые 90º полный оборот. Так вот лопасть в интервале от до 180º — это лопасть наступающая, а от 180º до 360º — отступающая. Принцип такого названия, я думаю, понятен. Наступающая лопасть движется навстречу набегающему потоку воздуха, и суммарная скорость ее движения относительно этого потока возрастает потому что сам поток, в свою очередь, движется ей навстречу. Ведь вертолет летит вперед. Соответственно растет и подъемная сила. (Для примера приведу пояснительный рисунок из «заслуженной» 🙂 книги об управлении вертолетом МИ-1.)

Автомат перекоса вертолета.

Изменение скоростей набегающего потока при вращении винта для вертолета МИ-1 (средние скорости полета).

У отступающей лопасти картина противоположная. От скорости набегающего потока отнимается скорость, с которой эта лопасть как бы от него «убегает» :-). В итоге имеем подъемную силу меньше. Получается серьезная разница сил на правой и левой стороне  винта и отсюда явный переворачивающий момент. При таком положении вещей вертолет при попытке движения вперед будет иметь тенденцию к переворачиванию. Такие вещи имели место при первом опыте создания винтокрылых аппаратов.

Чтобы этого не происходило, конструктора применили одну хитрость. Дело в том, что лопасти несущего винта закреплены во втулке (это такой массивный узел, насаженный на выходной вал), но не жестко. Они с ней соединены с помощью специальных шарниров (или устройств, им подобных). Шарниры бывают трех видов: горизонтальные, вертикальные и осевые.

Автомат перекоса вертолета.

Силы, действующие на лопасть, подвешенную ко втулке винта на шарнирах.

Теперь посмотрим что же будет происходить с лопастью, которая подвешена к оси вращения на шарнирах. Итак, наша лопасть вращается с постоянной скоростью без каких-либо управляющих воздействий извне.

От до 90º скорость обтекания лопасти растет, значит растет и подъемная сила. Но! Теперь лопасть подвешена на горизонтальном шарнире. В результате избыточной подъемной силы она, поворачиваясь в горизонтальном шарнире, начинает подниматься вверх ( специалисты говорят «делает взмах»). Одновременно из-за увеличения лобового сопротивления (ведь скорость обтекания возросла) лопасть отклоняется назад, отставая от вращения оси винта. Для этого как раз и служит вертикальный шарнир.

Однако при взмахе получается, что воздух относительно лопасти приобретает еще и некоторое движение вниз и, таким образом, угол атаки относительно набегающего потока уменьшается. То есть рост избыточной подъемной силы замедляется. На это замедление оказывает свое дополнительно влияние отсутствие управляющего воздействия. Это значит, что тяга автомата перекоса, присоединенная к лопасти, сохраняет свое положение неизменным,  и лопасть, взмахивая, вынуждена поворачиваться в своем осевом шарнире, удерживаемая тягой и, тем самым, уменьшая свой установочный угол или угол атаки по отношению к набегающему потоку. (Картина происходящего на рисунке. Здесь У – это подъемная сила, Х – сила сопротивления, Vy – вертикальное движение воздуха, α – угол атаки.)

Автомат перекоса вертолета.

Картина изменения скорости и угла атаки набегающего потока при вращении лопасти несущего винта.

До точки 90º избыточная подъемная сила будет продолжать расти, однако из-за вышесказанного со все большим замедлением. После 90º эта сила будет уменьшаться, но из-за ее присутствия лопасть будет продолжать двигаться вверх, правда все медленнее. Максимальную высоту взмаха она достигнет уже несколько перевалив за точку 180º. Это происходит потому, что лопасть имеет определенный вес, и на нее действуют еще и силы инерции.

При дальнейшем вращении лопасть становится отступающей, и на нее действуют все те же процессы, но уже в обратном направлении. Величина подъемной силы падает и центробежная сила вместе с силой веса начинают опускать ее вниз. Однако при этом растут углы атаки для набегающего потока (теперь уже воздух движется вверх по отношению к лопасти), и растет установочный угол лопасти из-за неподвижности тяг автомата перекоса вертолета. Все происходящее поддерживает подъемную силу отступающей лопасти на необходимом уровне. Лопасть продолжает опускаться и минимальной высоты взмаха достигает уже где-то после точки , опять же из-за сил инерции.

Таким образом, лопасти вертолета при вращении несущего винта как бы «машут» или еще говорят «порхают». Однако это порхание вы, так сказать, невооруженным взглядом вряд ли заметите. Подъем лопастей вверх (как и отклонение их назад в вертикальном шарнире) очень незначительны. Дело в том, что на лопасти оказывает очень сильное стабилизирующее воздействие центробежная сила. Подъемная сила, например, больше веса лопасти в 10 раз, а центробежная – в 100 раз. Именно центробежная сила превращает на первый взгляд «мягкую» гнущуюся в неподвижном положении лопасть в жесткий, прочный и отлично работающий элемент несущего винта вертолета.

Однако несмотря на свою незначительность вертикальное отклонение лопастей присутствует, и несущий винт при вращении описывает конус, правда очень пологий. Основание этого конуса и есть плоскость вращения винта.

как летает вертолет

Силы, действующие на вертолет.

Теперь главная мысль :-). В известной статье я уже говорил, что для придания вертолету поступательного движения нужно эту плоскость наклонить, дабы появилась горизонтальная составляющая полной аэродинамической силы, то есть горизонтальная тяга винта. Иначе говоря, нужно наклонить весь воображаемый конус вращения винта. Если вертолету нужно двигаться вперед, значит конус должен быть наклонен вперед.

Исходя из описания движения лопасти при вращении винта, это означает, что лопасть в положении 180º должна опуститься, а в положении 0º (360º) должна подняться. То есть в точке 180º подъемная сила должна уменьшиться, а в точке 0º(360º) увеличиться. А это в свою очередь можно сделать уменьшив установочный угол лопасти в точке 180º и увеличив его в точке 0º (360º). Аналогичные вещи должны происходить при движении вертолета в других направлениях. Только при этом, естественно, аналогичные изменения положения лопастей будут происходить в других угловых точках.

Понятно, что в промежуточных углах поворота винта между указанными точками установочные углы лопасти должны занимать промежуточные положения, то есть угол установки лопасти меняется при ее движении по кругу  постепенно, циклично.Он так и называется циклический  угол установки лопасти (циклический шаг винта). Я выделяю это название потому, что существует еще и общий шаг винта (общий угол установки лопастей). Он изменяется одновременно на всех лопастях на одинаковую величину. Обычно это делается для увеличения общей подъемной силы несущего винта.

Такие действия как раз и выполняет автомат перекоса вертолета. Он изменяет угол установки лопастей несущего винта (шаг винта), вращая их в осевых шарнирах посредством присоединенных к ним тяг. Обычно всегда присутствуют два канала управления: по тангажу и по крену, а также канал изменения общего шага несущего винта.

Тангаж означает угловое положение летательного аппарата относительно его поперечной оси (нос вверх-вниз :-)), а крен, соответственно, относительно его продольной оси (наклон влево-вправо :-)).

Конструктивно автомат перекоса вертолета выполнен достаточно сложно, но пояснить его устройство вполне можно на примере аналогичного узла модели вертолета. Модельный автомат, конечно, устроен попроще своего старшего собрата, но принцип абсолютно тот же :-).

Автомат перекоса вертолета.

Автомат перекоса модели вертолета.

Это двухлопастной вертолет. Управление угловым положением каждой лопасти осуществляется через тяги 6. Эти тяги соединены с так называемой внутренней тарелкой 2 (из белого металла). Она вращается вместе с винтом и в установившемся режиме параллельна плоскости вращения винта. Но она может менять свое угловое положение (наклон), так как закреплена на оси винта через шаровую опору 3. При изменении своего наклона (углового положения) она воздействует на тяги 6, которые, в свою очередь, воздействуют на лопасти, поворачивая их в осевых шарнирах и меняя, тем самым, циклический шаг винта.

Внутренняя тарелка одновременно является внутренней обоймой подшипника, внешняя обойма которого – это внешняя тарелка винта 1. Она не вращается, но может менять свой наклон (угловое положение) под воздействием управления по каналу тангажа 4 и по каналу крена 5. Меняя свой наклон под воздействием управления внешняя тарелка меняет наклон внутренней тарелки и в итоге наклон плоскости вращения несущего винта. В итоге вертолет летит в нужном направлении :-).

Общий шаг винта меняется перемещением по оси винта внутренней тарелки 2 при помощи механизма 7. В этом случае угол установки  меняется сразу на обеих лопастях.

Для более лучшего понимания помещаю еще несколько иллюстраций втулки винта с автоматом перекоса. Комментировать их нет смысла :-)…

Автомат перекоса вертолета.

Втулка винта с автоматом перекоса (схема).

Автомат перекоса вертолета.

Поворот лопасти в вертикальном шарнире втулки несущего винта.

Автомат перекоса вертолета.

Изменение общего шага винта, лопасти поворачиваются в осевых шарнирах.

Вот пожалуй и все. Как видите, принципиально все достаточно просто. Конечно в практическом плане автомат перекоса вертолета — агрегат сложный, включающий в себя различные специальные узлы и устройства.

Автомат перекоса вертолета.

Втулка несущего винта с автоматом перекоса вертолета МИ-2.

В одной из следующих статей мы этого коснемся, а также рассмотрим как же непосредственно управляется вертолет из кабины пилота с использованием автомата перекоса и специальных органов управления.

В заключение я предлагаю вам посмотреть два ролика, которые достаточно наглядно иллюстрируют работу автомата перекоса несущего винта. Полезного просмотра и до новых встреч :-)…

Фотографии кликабельны.

{lang: 'ru'}

Related posts:

  1. Как летает вертолет.
This entry was posted in ВЕРТОЛЕТ and tagged . Bookmark the permalink.

191 Комментариев: Автомат перекоса вертолета. Общий принцип управления.

  1. Василий говорит:

    у меня вопросик, часто летаю на самолетах, вертолетах. Как то раньше не обращал внимания, но на вертолетах МИ-8 в разных модефикациях рулевой винт установлен у каких-то с левой стороны хвоста, у каких то с правой, с чем это связано?

    • Юрий говорит:

      Это связано с мероприятиями по повышению эффективности рулевого винта при модернизации Ми-8Т (винт справа по полету) до версий Ми-8МТ, МТВ, АМТ (винт слева). Направление винта изменено на противоположное с тем, чтобы использовать полезное взаимодействие лопастей РВ с потоком от несущего винта, что позволяет повысит тяговую эффективность РВ. Решение это компромиссное, потому как там много и других факторов различного действия учитывается.

  2. юрии говорит:

    телефон по втулке 0980777071 украина

  3. юрии говорит:

    продаю втулку несушего винта легкого вертолета прогресивную на торсионах

  4. Павел говорит:

    Интересно! Вы в комментариях писали, что автомат перекоса используется во всех типах вертолетов. А имеет ли смысл использовать такое устройство в квадрокоптерах? Насколько я понимаю конструкцию коптеров, направление движения регулируется управлением мощности каждого отдельного винта. Объясните пожалуйста так ли это.

    • Юрий говорит:

      Нет, не имеет смысла. Вы правильно заметили, квадрокоптер управляется путем изменения тяги каждого винта в отдельности или группы винтов. Вот по этой ссылочке есть неплохие иллюстрации на этот счет htp://ardupilot-mega.ru/wiki/arducopter/what-is-a-multicopter-and-how-does-it-work.html (только вставьте букву «t» в http — я ее убрал)… Говоря о «всех типах» я конечно не имел в виду квадрокоптер. Он уже не совсем вертолет в традиционно понимании этого слова :-)…

  5. Артур говорит:

    Кажется есть очепятка : лопасть в жесткий, прочный и отлично работающий элемент несущего винта вертолета вертолета 😀 два раза слово вертолета

  6. Василий говорит:

    в принципе ни чего сложного нет, создать такую конструкцию для самодельных СЛА не представляется проблематикой, но ЗАКОН надо соблюдать, сделайте заказ, пока согласование с верхами и т.д. и т.п. короче конструктив сдох

  7. Сергей говорит:

    як мени питпысатыся наваш сайт?

    • Юрий говорит:

      В колонке справа, под «рубриками», есть заголовок «Новые статьи для Вас». Под заголовком можно внести свои данные и подписаться на обновления сайта.

  8. Дмитрий говорит:

    Юрий, спасибо Вам за внимание на мой вопрос. Но я имел ввиду немного другое. видео и картинки я смотрел, общий принцип мне, думаю, понятен. Меня очень интересуют детали. Если есть возможность, разъяснить мне…
    Тяги управления крепятся на внешнюю часть тарелки АП (неподвижная), та, в свою очередь, через подшипниковое соединение, к внутренней части тарелки АП, которая вращается вместе с валом и через рычаги закреплена со втулками винтов. Они вращают ее или она вращается вследствие крепления к валу, что означало бы жесткое крепление? Далее, внутренняя часть тарелки АП жестко закреплена на внешней части шарикового подшипника? Внутренняя часть подшипника закреплена на валу. Каким образом? Выходит, что если там нет жесткого крепления и подшипник может передвигаться по валу вверх-вниз, то между ним и валом имеется еще что-то? Если нет, то смысл в нем? При таком строении достаточно, наверное, было бы просто не иметь его, а тарелку АП крепить к тягам? Надеюсь не слишком скомкано изложил), спасибо)

  9. Александр говорит:

    Я и сам не слышал)))просто пришло в голову..Думаю боковая составляющая не даст большой скорости а вот маневренность и ..мягкость маневра..пес его знает,надо пробовать.Двигатель+редуктор+ступица+винт.Я живу во Владивостоке,возможность преобрести двигатель б\у с компьютером недорого есть, а вот винт..Да и хочется все сделать самому))Творческая составляющая как предчуствие Радости.А вернуться к готовой схеме можно всегда.С уважением,Александр.

  10. Дмитрий говорит:

    Здравствуйте. То есть получается, что шарнир тарелки автомата перекоса не закреплен на валу и может подниматься вверх? Соответственно, он держится только на тяге?

    • Юрий говорит:

      Да может… И должен. Тарелка располагается на шаровой опоре, которая, в свою очередь, передвигается по валу (оси винта). Тарелка «держится» на шаровой опоре (подшипнике, если хотите). А тяги (не одна обычно) формируют ее положение в пространстве….. На ролике в статье это все показано…

      • Дмитрий говорит:

        Юрий, спасибо Вам за внимание на мой вопрос. Но я имел ввиду немного другое. видео и картинки я смотрел, общий принцип мне, думаю, понятен. Меня очень интересуют детали. Если есть возможность, разъяснить мне…
        Тяги управления крепятся на внешнюю часть тарелки АП (неподвижная), та, в свою очередь, через подшипниковое соединение, к внутренней части тарелки АП, которая вращается вместе с валом и через рычаги закреплена со втулками винтов. Они вращают ее или она вращается вследствие крепления к валу, что означало бы жесткое крепление? Далее, внутренняя часть тарелки АП жестко закреплена на внешней части шарикового подшипника? Внутренняя часть подшипника закреплена на валу. Каким образом? Выходит, что если там нет жесткого крепления и подшипник может передвигаться по валу вверх-вниз, то между ним и валом имеется еще что-то? Если нет, то смысл в нем? При таком строении достаточно, наверное, было бы просто не иметь его, а тарелку АП крепить к тягам? Надеюсь не слишком скомкано изложил), спасибо)

  11. Александр говорит:

    Здравствуйте Юрий!С удовольствием просмотрел тему.Мечта о постройке вертолета время от времени возвращается и будоражит…Хотел спросить если угол атаки изменять положением поперечной оси винта т.е. автомобильная ступица и полуось..что Вы об этом думаете?

    • Юрий говорит:

      Видимо вы имеете в виду ШРУС (шариковые). Мне кажется автомобильные шрусы предназначены для передачи крутящего момента (что хорошо), но значительно хуже воспринимают осевые нагрузки, что плохо, ведь осевая нагрузка — это подъемная сила.

      • Александр говорит:

        Юрий,Вы абсолютно правы относительно ШРУСа,но подшипники в ступице конические роликовые и противоположно направленные.Именно на них и приходится осевая нагрузка(разнонапрвленая)То есть через ШРУС мы передаем крутящий момент,осевая нагрузка на подщипниках ступицы (подать туда смазку не проблема),саму ступицу мы поворачиваем тягами ,меняя угол оси НВ относительно горизонтальных осей собственно вертолета.К сожалению я не умею на этом сайте прикреплять рисунки(эскизы),если оставите почту отправлю Вам эскиз.С уважением,Александр.

        • Юрий говорит:

          Рисунки не нужны, итак все понятно. Я имел в виду обычные радиальные или радиально-упорные шариковые подшипники, которые стоят на большинстве автомобилей. Чисто схематически идея понятна, но практически можно ли это осуществить — не знаю. Не слышал ранее о такой конструкции….

  12. Юрий говорит:

    Спасибо за статью, очень полеполезная информация, может и не по теме, просто мне пришлось столкнуться с конструкцией вертолетных лопастей и я был поражен сложностью их конструкции. Моя соседка по саду отдала мне две лопасти за ненадобностью (муж у нее работает на аэродроме) ,я сначала хотел их использовать для грядки. Я удивился на сколько они легкие, одну лопасть я смог спокойно поднять, длина ее более 6 метров. Подумав, я решил использовать одну из них в качестве верхней несущей балки сдвижных ворот. Когда отпиливал все лишнее, удивлялся, как сложно и капитально все устроено, оказывается там даже нагревательные элементы установлены, видимо, против обледенения, оставил только силовую балку, проверил на прочность края поставил на кирпичи и встал на середину, балка практически ни сколько не прогнулась. Ворота получились отличные, Хотел спросить у вас, для чего заканчивается воздух в полость балки (для этого там есть специальный ниппель) .Спасибо.

    • Юрий говорит:

      Да, все действительно так. И просто и сложно в одно и то же время. К тому же очень прочно. Лонжерон (или, как Вы говорите, балка) имеет чаще всего трубчатую конструкцию. Так как в процессе эксплуатации нагрузки велики, то возможно возникновение усталостных трещин в материале лонжерона, что грозит разрушением лопасти. Поэтому часто, для контроля, во внутреннюю полость лонжерона, которую герметизируют, закачивается воздух до определенного давления. В процессе эксплуатации, если давление падает, значит появились трещины и лопасть необходимо менять.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *