Для начала приведу примеры расчетов основных элементов конструкции.
Так, диаметр несущего винта АВ-1 выбран из условия нагрузки на единицу площади ометаемого диска (Ps) в пределах 6—7 кг/м2. Эта величина взята по результатам обработки статистических данных летающих легких автожиров, вертолетов, имеющих удельную нагрузку (р) в пределах 6— 8 кг/л.с. В моем случае, исходя из предполагаемой полетной массы (т) аппарата 180—200 кг (масса пустого 100—120 кг) и располагая двигателем мощностью (N) в 34 л.с., из которых две должны были расходоваться на привод рулевого винта, получаем следующие значения нагрузки на единицу мощности, площади ометаемого диска НВ (Sом ) и диаметра НВ (D):
Диаметр НВ 6,04 м очень близок к размеру НВ у автожира Бенсена с двигателем 40 л.с. и массой 190 кг. При таких начальных данных была надежда, что вертолет полетит. Но для того чтобы он мог летать в качестве транспортного средства, необходимо, чтобы тяга НВ (Т) была значительно больше, чем масса аппарата (как минимум в 1,4 раза). Это обеспечивает достаточную вертикальную скороподъемность и высотность полета.
Теперь определим расчетом максимальную Т на режиме зависания в условиях нормальной атмосферы (760 мм рт. ст., 18°С). В этом случае использовалась эмпирическая формула:
Т= (33,25N Dn)2/3,
где: п=0,6…0,7 — коэффициент.
В итоге тяга получилась 244,8 кг, что очень близко к фактически полученной при испытаниях АВ-1. (Исходя из названного соотношения
1,4, по нашему мнению, полетнаг. масса аппарата не должна превышать 175 кг. — Ред.)
Описание конструкции вертолета начну с так называемой фюзеляжной части.
Отсек кабины имеет ферменную конструкцию в виде четырехгранной пирамиды, вертикальная грань которой (главный шпангоут) как бы отделяет отсек кабины от двигателя. Изготовлена она из дюралюминиевых (Д16Т) труб: вертикальные и нижние—40×1,5 мм, а передние — 30×1,5 мм. Над кабиной имеется силовой соединяющий элемент — рама под главный редуктор, внизу же — горизонтальная поперечина моторамы. Вторая силовая поперечина (на уровне спинки сиденья) — из дюралюминиевой трубы прямоугольного сечения 30x25x1,5 мм; она служит для крепления промежуточного редуктора, спинки сиденья и узлов главных стоек шасси.
Компоновка вертолета АВ-1:
1 — трубка приемника воздушного давления, 2 — рукоятка управления автоматом перекоса, 3 — рукоятка выжимного рычага, 4 — щиток приборный (тахометр, указатель температуры головок цилиндров двигателя, указатель скорости, вариометр), 5 — редуктор главный, 6 — автомат перекоса, 7 — втулка несущего винта, 8 — тяга управления автоматом перекоса Г-образная, 9 — вал промежуточный, 10 — редуктор промежуточный, 11— цепь привода рулевого винта, 12—маслобак, 13 — ремни привода рулевого винта, 14 — раскосы хвостовой балки (Д16Т, труба 40х 1,5), 15 — подкосы (Д16Т, труба 20×1), 16 — рулевой винт, 17 — опора хвостовая, 18 — балка хвостовая, 19 — блок электронный, 20 — двигатель, 21 — рукоятка управления общим шагом («шаг-газ»), 22 — подкос основной опоры шасси амортизационный, 23 — тяга управления общим шагом, 24 — шкив промежуточный, 25 — триммер, 26 — стержень стабилизирующий с грузами, 27 — блок педалей управления шагом рулевого винта.
Трансмиссия вертолета:
1 — втулка несущего винта, 2 — редуктор главный, 3 — рычаг выжимной, 4 — вал выжимной со шлицевым стаканом. 5 — шестерня ведущая промежуточного редуктора, 6 — вал ведущей шестерни, 7 — стакан фрикционно-храповой муфты. 8 — фиксатор выжимного вала шариковый, 9 — вал-рессора, 10 — амортизаторы двигателя, 11 — двигатель, 12 — маховик, 13 — насос масляный, 14— маслобак, 15 — шестерня ведомая, 16 — муфта храповая обгонная, 17 — вал промежуточный, 18—датчик оборотов несущего винта, 19 — лопасть несущего винта.
Главный редуктор:
1 — стержень стабилизирующий, 2 —гайка М18, 3 — вилка втулки первой лопасти, 4 — вилка муфты НВ, 5 —уплотнения, 6 — подшипник карданного кольца АП 80018Ю, 7 — ухо, 8 — кольцо АП наружное, 9 — подшипник 76-112820Б, 10 — кольцо карданное (30ХГСА), 11 — кольцо АП внутреннее (30ХГСА), 12 — подшипник 205, 13—вал-шестерня ведущий, 14 — подшипник 106, 15 — манжета, 16 — кольцо разрезное, 17—втулка упорная (30ХГСА), 18 — насос винтовой масляный, 19 — шток привода механизма общего шага, 20 — тяга управления общим шагом, 21 — гайки, 22 —подшипник самодельный упорный, 23 —корпус подшипника, 24 — шток уплотнительный, 25 — крышка уплотнительная, 26 — шестерня ведомая, 27 — корпус главного редуктора, 28 —подшипники 109, 29 — вал главный, 30 — шлиц-шарнир привода наружного кольца АП, 31 —вилка втулки второй лопасти, 32 — палец муфты НВ (30ХГСА, пруток Ø 18), 33 — подшипник игольчатый самодельный, 34 — тяга поводка лопасти, 35 — вилка штока, 36 — коромысло механизма общего шага и АП, 37 — тяга.
Втулка несущего винта в сборе:
1 —шпилька контровочная, 2 — шарнир лопасти, 3 — вилка штока механизма общего шага, 4 — коромысла, 5 — тяга АП, 6 — стержень стабилизирующий, 7 — тяга, 8 — поводок, 9 — кольцо АП наружное.
Втулка несущего вннта:
1 — поводок, 2 — палец, 3 — вилка втулки лопасти, 4 — вилка шарнира лопасти.
Автомат перекоса:
1 — редуктор главный, 2 — тяга Г -образная (выполнена заодно с поз.8), 3 — уши, 4 — шлиц-шарнир привода наружного кольца, 5 — корпуса подшипников карданного кольца, 6 — втулка наружного кольца стяжная, 7 — кольцо карданное, 8 — кольцо внутреннее, 9 — кольцо наружное, 10 — противовес шлиц-шарнира.
Механизм привода рулевого винта:
1 — вилка муфты рулевого винта, 2 — крестовина, 3 — палец, 4 — поводок осевого шарнира, 5 — тяга, 6 ползушка механизма управления шагом винта, 7 — цапфа привода ползушки, 8 — штифт (сталь 45, пруток Ø4), 9 — подшипник 7000105, 10 — корпус редуктора (Д16Т), 11 — подшипник 7000102, 12 — стакан (30ХГСА), 13 — шкив привода винта.
Втулка рулевого винта:
1 — крестовина (18Х2Н4МА), 2 — палец (30ХГСА), 3 — втулки (бронза), 4 — палец тяги, 5 — поводок осевого шарнира (30ХГСА), 6 — лопасть, 7 — стакан лопасти (30ХГСА), 8 — кольцо уплотнительное резиновое, 9 — кольцо стопорное.
Лопасть несущего винта:
1,2— дроки лонжерона наружные (лиственница, сосна северная, ясень, бук плотностью 0,8 г/см3), 3 — покрытие (стеклоткань s0,1, два слоя), 4 — дрока средняя (клин «на нет»), 5 — элемент лонжерона (клин «на нет») средний, 6 —элементы лонжерона наружные (сосна южная, ель плотностью 0,25—0,42 г/см3), 7 — пенопласт (ПС, плотность 0,15 г/см3), 8 — покрытие (стеклоткань s0,05, два слоя, второй слой под углом 45° к оси), 9 — груз (свинец), 10 — покрытие (стеклоткань s0,1, два слоя, один слой под углом 45е к оси), 11 — заклепка, 12 — триммер.
Лопасть рулевого винта (крутка линейная):
1 — лонжерон (лиственница, ясень, бук, северная сосна плотностью 0,8 г/см3), 2 — хвостовик (пенопласт ПС), 3 — пробки (сосна), 4 — грузик балансировочный (свинец, Ø8 мм).
«Отсек» двигателя в виде трехгранной пирамиды выполнен из стальных труб (сталь 20) сечением 30x30x1,2 мм. Нижняя грань имеет узлы крепления под двигатель, раскосы шасси и хвостовую балку.
Хвостовая балка склепана из дюралюминиевого листа толщиной 1 мм. Состоит она из трех частей: двух конусов (диаметр у вершины 57 мм) и цилиндра между ними (диаметр 130 мм) с наружными ребрами, которые служат усиливающим стрингером и зоной склепки элементов обшивки. В местах крепления раскосов вклепаны усиливающие шпангоуты.
ный двигатель с рабочим объемом 750 см3. Картер и коленвал взяты от мотоцикла К-750; поршни, цилиндры и головки — от МТ-10. Картер облегчен и приспособлен к работе с вертикальным расположением вала (изменена маслосистема). Возможно использование и других двигателей, полная масса которых не более 40 кг и мощность не менее 35 л.с.
Особо надо отметить систему стабилизации аппарата. На АВ-1 применена система типа «БЕЛЛ», но с более высоким коэффициентом стабилизации (0,85), что почти полностью снимает с пилота заботу о балансировке вертолета в режиме висения. Кроме того, она ограничивает угловые скорости на виражах, оберегая вертолет от перегрузок. Управляемость при этом обеспечивается за счет формы грузов в виде плоских дисков (подобраны экспериментально). Длина стержней выбрана из условия, что грузы в виде плоских дисков должны хорошо «сидеть» в потоке. Поэтому окружная скорость грузов выбрана 70 м/с, а при 600 об/мин это соответствует длине (радиусу) стержня, близкой к 1 м. Масса груза выбиралась из условия, что при отклонении плоскости вращения стабилизирующих стержней от плоскости НВ на 1,5°—2° должен возникнуть момент, который при передаче через рычажный механизм к осевому шарниру лопасти НВ будет равным (или большим) моменту трения в подшипниках осевого шарнира под рабочей осевой нагрузкой.
Главный редуктор предназначен для передачи крутящего момента на вал несущего винта. Внутри его проходит шток механизма управления общим шагом НВ. Он заканчивается вилкой, которая своими боковыми выступами входит в зацепление с вилками втулок лопастей, вращая механизм системы стабилизации. При вертикальном перемещении штока (от рукоятки) с помощью рычагов механизма общего шага происходит изменение угла установки лопасти винта (и соответственно — его шага). На верхней крышке корпуса редуктора установлен автомат перекоса (АП), служащий для изменения положения плоскости (фактически конуса) вращения НВ относительно вертикальной оси аппарата (оси главного вала редуктора) за счет противоположного по знаку изменения угла атаки лопастей: угол атаки лопасти, идущей вниз, уменьшается, идущей вверх — увеличивается. При этом происходит изменение величины и направления горизонтальной составляющей вектора тяги НВ.
Корпус редуктора разъемный по плоскости, перпендикулярной оси вала, сварен из листовой стали 30ХГСА толщиной 1,3 мм. Гнезда подшипников выточены также из стали 30ХГСА, вварены в крышки, после чего произведена термообработка («закалка», высокий отпуск) для снятия напряжений и повышения прочности. Затем профрезерованы фланцы, собраны крышки и расточены посадочные места подшипников и отверстий на координатном станке. Нижняя крышка изготовлена из сплава Д16Т.
Главный вал сделан из стали 40ХНМА, термообработан до Gвр -110 кг/мм2. Диаметр вала —45 мм, диаметр внутреннего отверстия — 39 мм, толщина стенки в зоне шлицев втулки НВ — 5 мм. Поверхности вала полированы, шлицы и места посадки подшипников меднены.
Ведомая шестерня и ведущий вал-шестерня — из стали 14ХГСН2МА-Ш и имеют соответственно 47 и 12 зубьев с модулем 3 и углом зацепления 28°. Зубья цементированы на глубину 0,8—1,2 мм и термообработаны до твердости НRС = 59—61.
Наружное кольцо автомата перекоса разъемное (как хомут), изготовлено из сплава Д16Т (фрезеровано из листа толщиной 35 мм), а внутреннее кольцо и карданное — из стали 30ХГСА. Подшипники карданного кольца — 8001 8Ю. Подшипник автомата-перекоса — 76-112820Б.
Модуль рулевого винта (РВ) собран на стакане, телескопически соединенном с законцовкой хвостовой балки. Он может выдвигаться для
Передняя стойка шасси свободноориентированная, без амортизации, имеет колесо 250×50 мм (от лыжероллеров). Основные опоры шасси сделаны из стальных труб и оснащены пневматическими амортизаторами. Колеса основных опор — 300×100 мм со срезанным протектором (от карта). Такая «стрижка» проводится для снижения веса, улучшения обтекаемости и облегчения движения «юзом» по траве во время тренировок или при неудачных посадках. Нижние раскосы шасси — из стальных труб 20×1 мм.
На вертолете установлен четырехтактный двухцилиндровый оппозитный двигатель с рабочим объемом 750 см3. Картер и коленвал взяты от мотоцикла К-750; поршни, цилиндры и головки — от МТ-10. Картер облегчен и приспособлен к работе с вертикальным расположением вала (изменена маслосистема). Возможно использование и других двигателей, полная масса которых не более 40 кг и мощность не менее 35 л.с.
Особо надо отметить систему стабилизации аппарата. На АВ-1 применена система типа «БЕЛЛ», но с более высоким коэффициентом стабилизации (0,85), что почти полностью снимает с пилота заботу о балансировке вертолета в режиме висения. Кроме того, она ограничивает угловые скорости на виражах, оберегая вертолет от перегрузок. Управляемость при этом обеспечивается за счет формы грузов в виде плоских дисков (подобраны экспериментально). Длина стержней выбрана из условия, что грузы в виде плоских дисков должны хорошо «сидеть» в потоке. Поэтому окружная скорость грузов выбрана 70 м/с, а при 600 об/мин это соответствует длине (радиусу) стержня, близкой к 1 м. Масса груза выбиралась из условия, что при отклонении плоскости вращения стабилизирующих стержней от плоскости НВ на 1,5°—2° должен возникнуть момент, который при передаче через рычажный механизм к осевому шарниру лопасти НВ будет равным (или большим) моменту трения в подшипниках осевого шарнира под рабочей осевой нагрузкой.
Главный редуктор предназначен для передачи крутящего момента на вал несущего винта. Внутри его проходит шток механизма управления общим шагом НВ. Он заканчивается вилкой, которая своими боковыми выступами входит в зацепление с вилками втулок лопастей, вращая механизм системы стабилизации. При вертикальном перемещении штока (от рукоятки) с помощью рычагов механизма общего шага происходит изменение угла установки лопасти винта (и соответственно — его шага). На верхней крышке корпуса редуктора установлен автомат перекоса (АП), служащий для изменения положения плоскости (фактически конуса) вращения НВ относительно вертикальной оси аппарата (оси главного вала редуктора) за счет противоположного по знаку изменения угла атаки лопастей: угол атаки лопасти, идущей вниз, уменьшается, идущей вверх — увеличивается. При этом происходит изменение величины и направления горизонтальной составляющей вектора тяги НВ.
Корпус редуктора разъемный по плоскости, перпендикулярной оси вала, сварен из листовой стали 30ХГСА толщиной 1,3 мм. Гнезда подшипников выточены также из стали 30ХГСА, вварены в крышки, после чего произведена термообработка («закалка», высокий отпуск) для снятия напряжений и повышения прочности. Затем профрезерованы фланцы, собраны крышки и расточены посадочные места подшипников и отверстий на координатном станке. Нижняя крышка изготовлена из сплава Д16Т.
Главный вал сделан из стали 40ХНМА, термообработан до Gвр -110 кг/мм2. Диаметр вала —45 мм, диаметр внутреннего отверстия — 39 мм, толщина стенки в зоне шлицев втулки НВ — 5 мм. Поверхности вала полированы, шлицы и места посадки подшипников меднены.
Ведомая шестерня и ведущий вал-шестерня — из стали 14ХГСН2МА-Ш и имеют соответственно 47 и 12 зубьев с модулем 3 и углом зацепления 28°. Зубья цементированы на глубину 0,8—1,2 мм и термообработаны до твердости НRС = 59—61.
Наружное кольцо автомата перекоса разъемное (как хомут), изготовлено из сплава Д16Т (фрезеровано из листа толщиной 35 мм), а внутреннее кольцо и карданное — из стали 30ХГСА. Подшипники карданного кольца — 8001 8Ю. Подшипник автомата-перекоса — 76-112820Б.
Модуль рулевого винта (РВ) собран на стакане, телескопически соединенном с законцовкой хвостовой балки. Он может выдвигаться для натяжения приводного ремня. При этом, правда, необходимо перестраивать длину тросов управления рулевым винтом. Привод его осуществляется от промежуточного редуктора с помощью цепной и двух ременных передач.
Рулевой винт — шарнирный (имеет горизонтальный совмещенный и осевые шарниры), вращается спереди вверх-назад. Диаметр его 1,2 м, число оборотов в минуту — 2500.
Втулка РВ состоит из крестовины и двух стаканов, склепанных с лопастями. В качестве осевых подшипников служат две бронзовые втулки, а центробежную силу воспринимает резьба М24х1,5. Уплотнение осуществляется резиновым кольцом, которое фиксируется шайбой и пружинным кольцом. Поводки осевых шарниров смещены от оси горизонтального шарнира (ГШ) на 30°. Смазка — маслом МС-20, залитым в стакан перед сборкой.
Горизонтальный шарнир собран на бронзовых втулках и цементированном пальце, который фиксируется на вилке ГШ от проворота.
При сборке лопастей со стаканом особое внимание обращалось на соосность их осей.
Теперь немного о выборе основных параметров лопастей воздушных винтов.
Средняя аэродинамическая хорда (САХ) лопасти вычисляется из условия, что коэффициент заполнения ометаемого диска (К) будет в пределах 0,025—0,035 (меньшая величина — для больших окружных скоростей, 200—220 м/с; а большая — для меньших, 170—190 м/с), по формуле:
bmin = (SHB K)/DHB ;
где bmin— минимальная САХ.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕРТОЛЕТА АВ-1
Масса, кг
пустого……………………115
полетная…………….200—220
Высота, м…………………….2
Длина, м……………………5
Диаметр НВ, м……………….. 6
Скорость спуска
на авторотации, м/с…………3
Скороподъемность, м/с………..3,5
Скорость, км/ч
максимальная………………100
крейсерская………………..80
На вертолете АВ-1 для несущего винта величина коэффициента К = 0,028, так как окружные скорости выбраны в пределах 190—210 м/с. При этом САХ принята равной 140 мм.
На летательном аппарате желательно иметь все очень легкое. Но применительно к НВ мы можем говорить о минимально допустимой массе, так как от массы лопасти зависит центробежная сила, необходимая для создания конуса вращения несущего винта. Желательно, чтобы этот конус был в пределах 1°—3°.
Изготовить лопасти массой 2—3 кг вряд ли возможно и даже нежелательно, так как будет мал запас кинетической энергии при аварийной посадке на авторотации с подрывом, а также при переходе на режим авторотации с моторного полета. Масса 7—8 кг для аварийного случая хороша, но на режимах максимальных оборотов НВ будет давать значительную центробежную силу.
На АВ-1 применена лопасть массой в пределах 4,6—5,2 кг, что обеспечивает максимальную нагрузку от центробежных сил до 3600 кгс. Прочность втулки НВ рассчитана на эту нагрузку (с 7-кратным запасом прочности); масса ее составляет 4,5 кг.
Предлагаемая форма лопасти в плане и крутка — результат опытов с лопастями различной формы, круток и профилей.
Лопасти НВ должны удовлетворять двум противоречивым требованиям: хорошо авторотировать (то есть обеспечивать малую скорость снижения на авторотации при отказе двигателя) и с максимальным КПД использовать мощность двигателя на моторном полете (для скороподъемности, максимальной скорости и экономичности).
Рассмотрим варианты лопастей для вертолета и для автожира.
Уважаемый любитель авиации! Данная статья, возможно, станет вам полезной при разработке и постройке легкого вертолета. Предлага- емая винтокрылая машина (АВ-1) — плод длительного увлечения авиацией, результат настойчивой и кропотливой работы в течение пяти лет, из которых два года ушло на постройку, а остальные — на испытание, доводку, освоение пилотирования, ремонт, модернизацию.