Вертолётные зарисовки
Как учили пилота Шевчука: "у вертолёта аэродинамика простая, как у коровы — чем выше хвост, тем выше скорость!"
Это видно по старому Ка-26:
Только поднялся — и сразу наклонился носом вниз, хвост вверх, на разгон. А как он это делает, если винты тянут вроде бы вверх, без наклона? Так же, как и практически любой вертолёт — при помощи автомата перекоса. Как он устроен у машины классической схемы, с одним несущим винтом — показано на третьем видео.
Зачем вообще делать такие «двухвинтовые» вертолёты? Во-первых, на той же площади можно разместить больше лопастей, вследствие этого сделать каждую короче — вертолёт будет легче хранить (особенно это важно на кораблях), легче «засовывать в заросли» при полёте на неподготовленные площадки.
Просто добавить лопастей на один винт нельзя — они начнут влиять друг на друга, говоря языком аэродинамики — следующая лопасть будет попадать в спутный след предыдущей, усилится индукция. Это уменьшит тягу, в итоге того эффекта, что на соосной машине, не достичь.
Во-вторых, этим машинам не нужен рулевой (хвостовой) винт. У обычного вертолёта несущий винт вращается в одну сторону, а его отдача (реактивный момент) стремится развернуть вертолёт в другую. Чтобы вертолёт не вертелся волчком — стоит рулевой винт, который очень любит рубить препятствия и ломаться сам. У «соосника» винты компенсируют реактивные моменты друг друга.
Автоматы перекоса соосного вертолёта устроены практически так же, только их два:
Здесь видно только один, но чтобы понять, как работает автомат перекоса — нужно сперва усвоить, что лопасти крепятся ко втулкам шарнирно. Автоматы перекоса дёргают их «за верёвочки» (тяги) как в кукольном театре, заставляя в нужный момент создавать нужную силу тяги. Шарниров у каждой лопасти три — горизонтальный (ГШ), вертикальный (ВШ), осевой (ОШ):
Ближе всего к лопасти стоит осевой шарнир — ОШ. С помощью него лопасть может поворачиваться на бóльший или меньший угол, в результате меняется создаваемая ею подъёмная сила. Этими углами и управляет автомат перекоса, поворачивая лопасть за рычаг.
Дальше стоит вертикальный шарнир — ВШ. Он даёт лопасти колебаться вперёд и назад по ходу вращения. Когда вертолёт летит вперёд и лопасть при вращении идёт вперёд — она называется наступающей, когда она повернётся на другой борт и будет двигаться назад по полёту — отступающей. Скорость потока на наступающей лопасти намного больше, чем на отступающей — скорость потока складывается со скоростью от вращения.
А на отступающей вычитается. Поэтому лопасть каждый оборот испытывает цикл перемены нагрузок. Если не дать ей свободы колебаний — втулка разрушится. ВШ эту свободу и даёт. Но давать колебаться свободно тоже нельзя, поэтому скорость колебаний ограничивается гидравлическими демпферами.
Работу ВШ хорошо видно на фотографиях летящих на большой скорости вертолётов снизу — наступающие лопасти (2, 3) «сгребаются в кучу», отступающие (4, 5) «разъезжаются»:
Горизонтальный шарнир даёт лопасти свободу маховых колебаний. Тут демпфер не нужен, поскольку вниз лопасть тянет вес, вверх её тянет подъёмная сила, а в стороны — центробежная сила. Равновесие этих сил и держит лопасти «в пределах разумного». Максимальная взлётная масса Ка-26 — 3250 кг, значит, каждая лопасть создаёт до 542 кг подъёмной силы, а при разгоне вертикальной скорости ещё больше, почему же лопасти все не складываются вверх?
Одна стеклопластиковая лопасть без стального комля весит всего лишь около 11 кг — понятное дело, такой вес уравновесить подъёмную силу не может. Но центробежная сила, несмотря на вроде небольшие обороты винта (чуть больше 300 в минуту), на лопастях страшная — около 7 тонно-сил на каждой. Эти 7 тонн и тянут лопасть в сторону, не давая лопастям «встать тюльпаном».
Однако при раскрутке и остановке винтов центробежная сила столь мала, что лопасти могут провиснуть слишком низко и верхние схлестнутся с нижними. Поэтому стоят ЦОС — центробежные ограничители свеса:
Пока обороты малы — грузики ЦОС сведены пружинами и между корпусом втулки и вертикальными ограничителями (это «кости» между корпусом втулки и осевыми шарнирами) введены упоры, не дающие лопастям провисать. Как только винт выйдет на рабочие обороты — грузики растаскивает центробежная сила, преодолевая сопротивление пружин, и упоры вытаскиваются из зазоров, давая выпрямленной центробежной силой лопасти свободу взмаха.
ЦОС есть лишь на верхнем винте, на вертолётах классической схемы они на несущем винте тоже есть — чтобы предотвратить удар лопастей о хвостовую балку. Теперь об автоматах перекоса:
Как видим, автоматов перекоса таки два, просто нижний на лётном вертолёте скрыт капотом. Но для понимания работы удобнее вид сбоку:
Тарелка автомата перекоса вращается каждая вместе со своим винтом, и если тарелка стоит горизонтально — все лопасти стоят на одинаковом угле, тяга винта направлена строго вверх. Если тарелку наклонить — угол установки одной лопасти вырастет, а другой — упадёт. Вектор тяги винта наклонится.
К тарелке нижнего автомата перекоса через большой подшипник, стоящий по окружности тарелки, подходят две тяги от ручки управления — тяги управления по крену и тангажу. Перемещая эти тяги, пилот наклоняет плоскость вращения тарелки, а так как тарелка вращается — то наклоняется она циклически. И циклически, повторяя это каждый оборот, ставит лопасти на нужный шаг.
Толкнул пилот ручку правой рукой — плоскость вращения тарелки наклонилась вперёд, теперь та лопасть, что в данный момент находится сзади, будет стоять на бóльшем угле и создавать бóльшую подъёмную силу, а находящаяся впереди — меньшую. Вертолёт поднимет хвост!
Шаг каждой лопасти меняется циклически, каждый оборот повторяясь — поэтому ручку управления (РУ), которая на самолётах ещё называется ручкой управления самолётом (РУС), на вертолётах иначе называется ручкой циклического шага (РЦШ).
Как это выглядит в движении — можно посмотреть на 11-м видео.
Там же видно управление общей тягой и курсом. Чтобы тарелки автоматов перекоса при управлении не вихлялись куда попало — они опираются на ползушки, которые могут двигаться вверх и вниз по валам винтов. Если сдвинуть ползушку — то с ней сдвинется и тарелка, изменив шаг сразу всех лопастей винта. Это и используется для управления тягой винтов.
Если двигать ползушки синхронно, двигая левой рукой ручку «шаг-газ» — то будет синхронно меняться тяга обоих винтов, то есть меняться подъёмная сила несущей системы. А вот от педалей путевого управления меняется дифференциальный шаг — одна ползушка идёт вверх, вторая синхронно вниз. И наоборот. Общая тяга при этом не меняется, но меняется соотношение тяг винтов.
Вместе с тягой винта меняется и его реактивный момент (отдача) — сила, с которой он пытается развернуть вертолёт в противоположную сторону. На вертолётах классической схемы для компенсации реактивного момента несущего винта служит рулевой винт, а на соосных вертолётах реактивные моменты винтов друг друга компенсируют. До тех пор, пока мы не изменим дифференциальный шаг! Тогда один из винтов «пересиливает». Так соосный вертолёт «водит носом».
Ползушки перемещаются при помощи проходящих внутри валов тяги и болта, управляются от прикреплённого снизу к главному редуктору механизма общего и дифференциального шага.
Ух... Получилось сложновато, в идеале требует понимания работы обычного одиночного автомата перекоса, но для начинающих я смонтировал уже упомянутое 11-е видео (нажмите на цветное — откроется). А эта статья — для предпочитающих неспешность и текст. Если у вас есть пожелания — можно их обсудить и внести поправки.
А в дальнейших статьях подробно разглядим приборные доски и другие закоулки Ка-26 — то, что на фото внимательно разглядеть проще, чем на видео.
