Заведующая учебной лабораторией кафедры машиноведения и инженерной графики КНИТУ-КАИ, кандидат технических наук Ляйсан Гарипова вошла в число победителей грантового регионального конкурса Российского научного фонда (РНФ) на проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами. Итоги конкурса на финансирование исследований в 2025-2026 гг. подвели в марте этого года.
Исследование Ляйсан Гариповой «Система активного гашения вибраций несущего винта вертолета» является логическим продолжением предыдущих ее работ. По вертолетной тематике Ляйсан Гарипова начала работать с 2013 года, когда поступила в аспирантуру под руководством профессора Александра Кусюмова на кафедру аэрогидродинамики (АГД) КНИТУ-КАИ. Одновременно она работала в научно-исследовательской лаборатории №1 при этой кафедре. В 2017 году Ляйсан Гарипова защитила кандидатскую диссертацию, в которой основным объектом исследования были аэродинамика и аэроакустика несущего винта вертолета.
Позже по гранту Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) Ляйсан Гарипова успешно проводила исследования по аэродинамическим характеристикам отсека лопасти винта в условиях нестационарного движения.
Сейчас исследовательскому коллективу из трех человек (двух молодых кандидатов технических наук и одного магистранта) предстоит совместить в рамках проекта численное моделирование и физический эксперимент. «Численное моделирование требует высоких вычислительных ресурсов и высокой квалификации специалистов, экспериментальное исследование потребует разработку новых уникальных стендов, - перечисляет Ляйсан Гарипова. – Экспериментальные работы будут проводиться в аэродинамической трубе, что само по себе является уникальным дорогостоящим оборудованием».
Отметим, что аэродинамическая труба, которая размещена в одном из зданий КНИТУ-КАИ, считается уникальной по качеству набегающего потока воздуха и занесена в реестр особо ценных измерительных средств Российской Федерации. В аэродинамической трубе КАИ проводились испытания вертолета «Ансат», «КаМАЗов», беспилотников, а также взлетно-посадочных режимов самолетов Ту-334 и Ту-214.
Проект Ляйсан Гариповой направлен на решение наиболее очевидной и неоднозначной задачи, проистекающей из конструктивных особенностей этого класса летательных аппаратов. Как известно, основным преимуществом винтокрылых летательных аппаратов является вертикальный взлет и посадка, в том числе на территории без специально подготовленных площадок. В качестве несущей системы на таких летательных аппаратах используется воздушные винты. Частным примером воздушного винта служит несущий винт вертолета.
«Несущий винт является одним из основных источников вибраций и шума вертолета, – поясняет Ляйсан Гарипова. – Исследование его характеристик усложняется наличием сложного пространственного движения лопасти. Задачей поддержанного грантом РНФ проекта является разработка системы управления лопастью винта с целью уменьшения вибраций».
Уменьшение вибраций позволяет уменьшить износ деталей, узлов и механизмов летательного аппарата, снизить нагрузку на экипаж и создать более комфортные условия пребывания на борту.
Исследования зарубежных и отечественных ученых сосредоточены в области индивидуального управления лопастями, когда применяются лопасти с механизированными закрылками, и управления лопастями по высоким гармоникам (управления углом установки лопасти). Напомним, что закрылки, которые устанавливают в задней части лопастей несущего винта, позволяют управлять подъемной силой лопасти несущего винта вертолета.
В ведущих научных организациях, например, в ЦАГИ, в настоящее время активно ведутся работы по управлению закрылками на лопастях несущего винта вертолета. В DLR (Германия) проводятся испытания нового автомата перекоса с двумя тарелками (проект META). В основном в этих работах управление лопастями осуществляется с помощью пьезоактуаторов – устройств, которые регулируют форму и наклон лопастей во время полета.
Пьезоэлементы по заданному закону изменяют положение закрылка либо длину ведущего поводка лопасти несущего винта. Закон управления часто представляется в виде ряда Фурье с двумя гармониками (первой гармоникой и второй гармоникой). Исследования ученых показали, что применение подобных технологий позволяет существенно снизить уровень вибраций. Однако внедрение на практике осложнено: пьезоактуаторы должны работать в динамическом режиме с удвоенной частотой вращения несущего винта вертолета.
В проекте Ляйсан Гариповой предлагается рассмотреть альтернативный подход к решению поставленной задачи. Суть подхода заключается в следующем: основное управление углом установки лопасти осуществляется с помощью автомата перекоса. Основное управление обеспечивает изменение общего и циклического шага винта по первой гармонике. Управление по второй гармонике осуществляется с помощью механической системы в виде вращающегося колеса с эксцентриситетом. За один оборот несущего винта управляющее колесо совершает два оборота. Ведущий поводок лопасти соединен с эксцентриситетом управляющего колеса. Величина эксцентриситета регулируется с помощью актуатора. Таким образом, угол установки лопасти будет определяться суммой управления по первой и второй гармоникам. Принципиальным отличием предлагаемой схемы управления является отсутствие требования к работе актуатора с высокой частотой.
«Мой проект принципиально отличается от аналогов тем, что управление по второй гармонике лопастью винта будет осуществляться не пьезоактуатором, а механической системой, – уточняет Ляйсан Гарипова. – Ожидается, что такой подход позволит упростить систему управления, повысит надежность и ресурс».
На рисунке: колебания тяги несущего винта на режиме горизонтального полета – один из основных источников вибраций.