Основные характеристики, особенности и колебания лопастей несущего винта вертолета

Отличительной особенностью вертолета, как летательного аппарата, является наличие несущего винта. Несущий винт создает подъемную силу и тягу, необходимую для осуществления перемещения вертолета в атмосфере. Кроме того, он позволяет осуществлять продольное и поперечное управление летательным аппаратом. Несущий винт состоит из лопастей и втулки, передающей крутящий момент с вала главного редуктора к лопастям.

В горизонтальном полете лопасти находятся под воздействием потока не только от окружной, но и от горизонтальной скорости вертолета. Таким образом, в разных точках ометаемой площади несущего винта имеют место разные воздушные скорости.

Рассмотрим основные характеристики несущего винта. Геометрические параметры лопастей характеризуются типом профилей сечений лопасти и очертанием лопасти в плане. Профиль лопасти должен обладать большим аэродинамическим качеством, малым изменением положения центра давления при изменении углов установки лопасти, высокими значениями критических углов атаки, обеспечивать способность перехода на режим самовращения (авторотации) в большом диапазоне углов установки. Геометрическая крутка лопасти осуществляет изменение углов установки сечений по радиусу лопасти. Обычно лопасти несущих винтов вертолетов имеют отрицательную геометрическую крутку, то есть у комлевой части углы установки больше, чем на конце [1, с.36-46]. Это дает более равномерное распределение аэродинамических сил вдоль лопасти и уменьшает индуктивные потери. Вес лопасти несущего винта оказывает существенное влияние на характеристики маховых движений и авторотацию вертолета, особенно в моменты перехода в нее и подрыва. В мировой практике известны случаи, когда вертолетостроителям, применившим современные материалы и выпустившим легкие лопасти, приходилось отказываться от них и возвращаться к старым технологиям из-за недостаточных характеристик летательного аппарата на режимах авторотации.

Далее рассмотрим колебания лопастей. Лопасть – самая нагруженная часть вертолёта. На лопасти несущего винта действуют: аэродинамические силы (подъемная сила в вертикальной плоскости и сила лобового сопротивления в плоскости вращения); изгибающий момент; центробежная сила; крутящий момент; инерционные силы; собственный вес. Лопасть, в процессе вращения, совершает изгибные колебания как балка, однако дополнительно на неё действует центробежная сила, которая по своему характеру является восстанавливающей – растягивая лопасть, она стремится вернуть её в неизогнутое состояние. Центробежная сила вызывает растяжение лонжерона. Под действием центробежной силы, величина которой значительна (десятки тонн), в поперечном сечении лонжерона возникают большие нормальные напряжения.

В горизонтальном полёте на лопасть действуют переменные аэродинамические силы, вызывающие её колебания. Что касается режима висения, то, с точки зрения вибраций, он является «спокойным» режимом - переменные силы носят второстепенный характер.

Действие переменных аэродинамических сил является причиной появления в сечениях лонжерона усталостных повреждений [2, с.58-67]. Поэтому при разработке лопастей, кроме анализа статической прочности, решаются две специфические задачи:

1. Устранение резонансных явлений на лопастях. Эта проблема решается на основе расчёта собственных и вынужденных колебаний лопастей;
2. Обеспечение безопасности от возникновения флаттера. Флаттер – незатухающие колебания лопастей несущего винта, возникающие за счёт энергии воздушного потока и приводящие к быстрому нарастанию амплитуды махового движения.

Рассмотрим особенности лопастей несущих винтов вертолетов. Как правило, лопасти подразделяются по видам материалов, применяемым для изготовления лонжеронов.

Деревянные лопасти. Такие лопасти были широко распространены в вертолетостроении, однако, в настоящее время, не применяются. Для изготовления лопасти использовались специально высушенное дерево, дельта-древесина и фанера. Лопасти с металлическим прессованным лонжероном. Существует несколько разновидностей таких лопастей. Основным силовым элементом лопасти является полый прессованный лонжерон D-образного сечения. Лонжерон выполняется пустотелым, прилегающим к аэродинамическому контуру передней части профиля. Для повышения прочности лонжерон может иметь ребра жесткости. К передней кромке лонжерона приклеивается нагревательный элемент противообледенительной системы. Сверху этот элемент закрывается титановой или стальной оковкой, предохраняющей лопасть от эррозионных воздействий частиц. К задней части лонжерона приклеены отдельные хвостовые секции. Хвостовые секции включают нервюры, обшивку и сотовый заполнитель. Образование хвостовой части из отдельных отсеков объясняется следующими соображениями: при изгибе лопасти назад, в плоскости вращения, хвостовая часть лопасти находится в области сжатия, поэтому хвостовой стрингер нуждается в защите от потери устойчивости [3, с.69-87]. Для предотвращения перетекания воздуха через зазоры между отсеками устанавливаются резиновые вкладыши.

На хвостике некоторых отсеков закрепляются триммеры – металлические пластины, служащие для устранения несоконусности вращения лопастей несущего винта. Устранение несоконусности осуществляется путем отгибания триммера в процессе наземных испытаний, которые проводят с датчиками, установленными на каждой лопасти.

В канал лонжерона, в переднюю его часть, вклеиваются противофлаттерные грузы. В комлевой части лонжерона на болтах крепится узел навески лопасти. В концевой части, под съемным обтекателем, располагаются балансировочные грузы. Внутри концевого обтекателя может быть установлена лампа контурного огня.

С целью своевременного обнаружения сквозной трещины лонжерона его внутренняя полость загерметизирована заглушками, установленными по концам лонжерона. В нем создается избыточное давление и устанавливается сигнализатор, который фиксирует разгерметизацию при появлении трещины. Воздух, попадая в сигнализатор через специальные отверстия в корпусе, сжимает чувствительный элемент и втягивает индикатор с красной боковой поверхностью внутрь корпуса. В случае появления на лонжероне трещин или других повреждений давление воздуха в нем и в корпусе сигнализатора падает, чувствительный элемент разжимается и выталкивает индикатор с красной боковой поверхностью за линию визуального обзора, что свидетельствует о повреждении лонжерона или нарушении его герметизации. Распространение усталостной трещины в лонжероне лопасти происходит медленно. Время возникновения опасного разрушения лонжерона превышает обычную продолжительность полёта вертолёта, поэтому сигнализатор давления воздуха в кабине лётчика обычно не ставится.

Лопасти со стальным трубчатым лонжероном. Такие лопасти применяются на тяжелых вертолетах, в частности на Ми-26. Одна из особенностей лопастей, именно этого вертолета, является отсутствие комлевого наконечника. Весь лонжерон, включая проушины комлевого стыка, изготавливается как единое целое. Отсутствие комлевого наконечника позволяет увеличить ресурс и уменьшить массу лопасти. Лопасть состоит из общей носовой части и отдельных хвостовых отсеков, а также комлевого и концевого обтекателей.

Многолонжеронные металлические лопасти. Этот тип лопастей был разработан специально для боевых летательных аппаратов. Пять стальных лонжеронов двутаврового сечения последовательно приклеиваются друг к другу. В местах склейки полок лонжеронов прокладываются слои стеклоткани, препятствующие распространению трещин с одного силового элемента на другой.

1. Завалов О.А. Конструкция вертолетов / Под. ред. РАН, проф. С.В. Михеева. – М.: Изд-во МАИ, 2004. – С. 100-151.
2. Ендогур А.И. Проектирование авиационных конструкций. Проектирование конструкций деталей и узлов. Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. – С. 156-198.
3. Конструкция вертолетов / Ю.С. Богданов, Р.А. Михеев, Д.Д. Скулков. – М.: Машиностроение, 2016. – С. 164-170.