Шановний аматор авіації! Ця стаття, можливо, стане вам корисною при розробці та будівництві легкого вертольота. Пропонована гвинтокрила машина (АВ-1) — плід тривалого захоплення авіацією, результат наполегливої та копіткої роботи протягом п’яти років, з яких два роки пішло на будівництво, а решта — на випробування, доведення, освоєння пілотування, ремонт, модернізацію.
Конструкція відповідає декільком найважливішим вимогам до літального апарату, що знаходиться в користуванні любителя: можливість зберігання в невеликому приміщенні; транспортування до місця польотів – легковим автомобілем, мотоциклом і навіть вручну; складання протягом 18-20 хвилин однією людиною (при цьому використовується всього два гайкові ключі).
1 – трубка приймача повітряного тиску; 2 – рукоятка управління автоматом перекосу; 3 – рукоятка вичавного важеля; втулка несучого гвинта, 8 – тяга управління автоматом перекосу Г-подібна, 9 – вал проміжний, 10-редуктор проміжний, 11 – ланцюг приводу рульового гвинта, 12 – маслобак, 13 – ремені приводу рульового гвинта, 14 – розкоси хвостовий труба 40×1,5), 15 – підкоси (Д16Т, труба 20×1), 16 – кермовий гвинт, 17 – опора хвостова, 18 – балка хвостова, 19 – блок електронний, 20 – двигун, 21 – рукоятка управління загальним кроком («крок- газ»), 22 – підкіс основної опори шасі амортизаційний, 23 – тяга управління загальним кроком, 24 – шків проміжний, 25 – триммер, 26 – стрижень стабілізуючий з вантажами, 27 – блок педалей управління кроком рульового гвинта.
Дуже надійно вирішена проблема безпеки при відмові двигуна та трансмісії у польоті. Конструкція несучого гвинта (НВ) і системи управління має особливості, завдяки яким «прощаються» такі помилки пілотування, як затягування гвинта, що несе, і перевантаження. Звичайно, на конструкцію вертольота значно вплинули обмежені умови, в яких він виготовлявся, а також труднощі з матеріалами та обладнанням, тому ясно, що машина далеко не ідеальна. Але я нею задоволений.
1 — втулка несучого гвинта, 2 – редуктор головний, 3 – важіль вижимної, 4 – вал вижимної зі шліцьовою склянкою, 5 – шестерня ведуча проміжного редуктора, 6 – вал ведучої шестерні, 7 – склянка фрикційно-храпової муфти, 8 – фіксатор вичавного валу , 10 – амортизатори двигуна, 11 – двигун, 12 – маховик, 13 – насос масляний, 14 – маслобак, 15 – шестерня ведена, 16 – муфта храпова обгінна, 17 – вал проміжний, 18 – датчик оборотів несу несучого гвинта.
Спочатку наведу приклади розрахунків основних елементів конструкції.
Так, діаметр несучого гвинта АВ-1 обраний з умови навантаження на одиницю площі диска, що ометається (Ps) в межах 6-7 кг/м2. Ця величина взята за результатами обробки статистичних даних легких автожирів, що літають, вертольотів, що мають питоме навантаження (р) в межах 6—8 кг/л.с. У моєму випадку, виходячи з передбачуваної польотної маси (m) апарату 180-200 кг (маса порожнього 100-120 кг) і маючи двигун потужністю (N) в 34 к.с., з яких дві повинні були витрачатися на привід рульового гвинта, отримуємо наступні значення навантаження на одиницю потужності, площі диска НВ (Sом) і діаметра НВ (D):
р = m/(N – 2) = 200/32 = 6,25 кг/л.с.,
Sом = m/Ps;
D =√Sом*4/3,14;
для:
m = 200 кг і Ps = 6 кг/м2 D = 6,51 м,
m = 200 кг і Ps = 7 кг/м2 D = 6,04 м,
m = 180 кг та Ps = 7 кг/м2 D = 5,72 м.
Діаметр НВ 6,04 м дуже близький до розміру НВ у автожиру Венсен з двигуном 40 к.с. та масою 190 кг. За таких початкових даних була надія, що гелікоптер полетить. Але для того, щоб він міг літати як транспортний засіб, необхідно, щоб тяга НВ (Т) була значно більшою, ніж маса апарату (як мінімум в 1,4 раза). Це забезпечує достатню вертикальну скоропідйомність та висотність польоту.
1 – шпилька контрочкова, 2 – шарнір лопаті, 3 – вилка штока механізму загального кроку, 4 – коромисла, 5 – тяга АП, 6 – стрижень стабілізуючий, 7 – тяга, 8 – повідець, 9 – кільце АП зовнішнє.
1 — повідець, 2 – палець, 3 – вилка втулки лопаті, 4 – вилка шарніра лопаті.
Тепер визначимо розрахунком максимальну Т на режимі зависання в умовах нормальної атмосфери (760 мм рт. ст., 18 ° С). У цьому випадку використовувалася емпірична формула:
Т=(33,25N*Dn)2/3,
де: n = 0,6 … 0,7 – коефіцієнт.
У результаті тяга вийшла 244,8 кг, що дуже близько до фактично отриманої під час випробувань АВ-1. (Виходячи з названого співвідношення 1,4, на нашу думку, польотна маса апарату не повинна перевищувати 175 кг. — Ред.)
Опис конструкції вертольота почну з так званої фюзеляжної частини.
Відсік кабіни має ферменну конструкцію у вигляді чотиригранної піраміди, вертикальна грань якої (головний шпангоут) ніби відокремлює відсік кабіни від двигуна. Виготовлена вона з дюралюмінієвих (Д16Т) труб: вертикальні та нижні – 40×1,5 мм, а передні – 30×1,5 мм. Над кабіною є силовий сполучний елемент – рама під головний редуктор, внизу – горизонтальна поперечка моторами. Друга силова поперечка (на рівні спинки сидіння) – з дюралюмінієвої труби прямокутного перерізу 30x25x1,5 мм; вона служить для кріплення проміжного редуктора, спинки сидіння та вузлів головних стійок шасі.
“Відсік” двигуна у вигляді тригранної піраміди виконаний із сталевих труб (сталь 20) перетином 30x30x1,2 мм. Нижня грань має вузли кріплення під двигун, розкоси шасі та хвостову балку.
Хвостова балка склепана з дюралюмінієвого листа завтовшки 1 мм. Складається вона з трьох частин: двох конусів (діаметр у вершини 57 мм) та циліндра між ними (діаметр 130 мм) із зовнішніми ребрами, які служать посилюючим стрінгером та зоною склепування елементів обшивки. У місцях кріплення розкосів вклепані шпангоути, що посилюють.
Передня стійка шасі вільноорієнтована, без амортизації, має колесо 250×50 мм (від лижеролерів). Основні опори шасі зроблені із сталевих труб та оснащені пневматичними амортизаторами. Колеса основних опор – 300×100 мм зі зрізаним протектором (від картки). Така «стрижка» проводиться для зниження ваги, поліпшення обтічності та полегшення руху «юзом» травою під час тренувань або при невдалих посадках. Нижні розкоси шасі – із сталевих труб 20×1 мм.
На гелікоптері встановлений чотиритактний двоциліндровий опозитний двигун з робочим об’ємом 750 см3. Картер та колінвал взяті від мотоцикла К-750; поршні, циліндри та головки – від МТ-10. Картер полегшений і пристосований для роботи з вертикальним розташуванням валу (змінена маслосистема). Можливе використання інших двигунів, повна маса яких не більше 40 кг і потужність не менше 35 к.с.
Особливо слід зазначити систему стабілізації апарату. На АВ-1 застосовано систему типу «БЕЛЛ», але з вищим коефіцієнтом стабілізації (0,85), що майже повністю знімає з пілота турботу про балансування вертольота в режимі висіння. Крім того, вона обмежує кутові швидкості на віражах, оберігаючи гелікоптер від перевантажень. Керованість при цьому забезпечується за рахунок форми вантажів у вигляді плоских дисків (підібрані експериментально). Довжина стрижнів обрана з умови, що вантажі у вигляді плоских дисків повинні добре сидіти в потоці. Тому окружна швидкість вантажів обрана 70 м/с, а при 600 об/хв це відповідає довжині (радіусу) стрижня, близької до 1 м. Маса вантажу вибиралася з умови, що при відхиленні площини обертання стрижнів, що стабілізують, від площини НВ на 1,5° -2° повинен виникнути момент, який при передачі через важільний механізм до осьового шарніра лопаті НВ буде рівним (або великим) моменту тертя в підшипниках осьового шарніра під робочим осьовим навантаженням.
1 — стрижень стабілізуючий, 2 — гайка М18, 3 – вилка втулки першої лопаті, 4 – вилка муфти НВ, 5 – ущільнення, 6 – підшипник карданного кільця АП 80018Ю, 7 – вухо, 8 – кільце АП зовнішнє, 9 – підшипник 70 30ХГСА), 11 – кільце АП внутрішнє (30ХГСА), 12 – підшипник 205, 13 – вал-шестерня ведучий, 14 – підшипник 106, 15 – манжета, 16 – кільце розрізне, 17 – втулка упор 8 масляний, 19 – шток приводу механізму загального кроку, 20 – тяга управління загальним кроком, 21 – гайки, 22 -підшипник саморобний завзятий, 23 – корпус підшипника, 24 – шток ущільнювальний, 25 – кришка ущільнювальна, 26 – ше головного редуктора, 28 – підшипники 109, 29 – вал головний, 30 – шліц-шарнір приводу зовнішнього кільця АП, 31 – вилка втулки другої лопаті, 32 – палець муфти НВ (30ХГСА, пруток Ø 18), 3 – тяга повідця лопаті, 35 – вилка штока, 36 – коромисло механізму загального кроку та АП, 37 – тяга.
Головний редуктор призначений для передачі крутного моменту на вал гвинта, що несе. Усередині нього проходить шток механізму керування загальним кроком НВ. Він закінчується вилкою, яка своїми бічними виступами входить у зачеплення з вилками втулок лопат, обертаючи механізм системи стабілізації. При вертикальному переміщенні штока (від ручки) за допомогою важелів механізму загального кроку відбувається зміна кута установки лопаті гвинта (і відповідно його кроку). На верхній кришці корпусу редуктора встановлений автомат перекосу (АП), що служить для зміни положення площини (фактично конуса) обертання НВ щодо вертикальної осі апарату (осі головного вала редуктора) за рахунок протилежного за знаком зміни кута атаки лопатей: кут атаки лопаті, що йде вниз, зменшується, що йде вгору – збільшується. При цьому відбувається зміна величини та напрямки горизонтальної складової вектора тяги НВ.
1 — головний редуктор, 2 — тяга Г-подібна (виконана заодно з поз.8), 3 – вуха, 4 – шліц-шарнір приводу зовнішнього кільця, 5 – корпуси підшипників карданного кільця, 6 – втулка зовнішнього кільця стяжна, 7 – кільце карданне, 8 – кільце 9 – кільце зовнішнє, 10 – противагу шліц-шарніру.
Корпус редуктора роз’ємний по площині перпендикулярної осі валу, зварений з листової сталі 30ХГСА товщиною 1,3 мм. Гнізда підшипників виточені також із сталі 30ХГСА, вварені в кришки, після чого проведена термообробка («загартування», висока відпустка) для зняття напруги та підвищення міцності. Потім профрезеровані фланці, зібрані кришки та розточені посадкові місця підшипників та отворів на координатному верстаті. Нижня кришка виготовлена із сплаву Д16Т.
Головний вал виготовлений із сталі 40ХНМА, термооброблений до G вр = 110 кг/мм2. Діаметр валу – 45 мм, діаметр внутрішнього отвору – 39 мм, товщина стінки в зоні шліців втулки НВ – 5 мм. Поверхні валу поліровані, шліци та місця посадки підшипників міднені.
Ведена шестерня і провідний вал-шестерня – зі сталі 14ХГСН2МА-Ш і мають відповідно 47 і 12 зубів з модулем 3 і кутом зачеплення 28 °. Зуби цементовані на глибину 0,8-1,2 мм і термооброблені до твердості НВС = 59-61.
Зовнішнє кільце автомата перекосу роз’ємне (як хомут), виготовлене зі сплаву Д16Т (фрезероване з листа товщиною 35 мм), а внутрішнє кільце та карданне – зі сталі 30ХГСА. Підшипники карданного кільця – 80018Ю. Підшипник автомата-перекосу – 76-112820Б.
Модуль рульового гвинта (РВ) зібраний на склянці, телескопічно з’єднаній із закінченням хвостової балки. Він може висуватися для натягу приводного ременя. При цьому, щоправда, необхідно перебудовувати довжину тросів керування кермовим гвинтом. Привід його здійснюється від проміжного редуктора за допомогою ланцюгової та двох ременних передач.
1 — вилка муфти рульового гвинта, 2 – хрестовина, 3 – палець, 4 – повідець осьового шарніра, 5 – тяга, 6 – повзушка механізму управління кроком гвинта, 7 – цапфа приводу повзушки, 8 – штифт (сталь 45, пруток Ø4), 9 – 7000105, 10 – корпус редуктора (Д16Т), 11 – підшипник 7000102, 12 – склянка (30ХГСА), 13 – шків приводу гвинта.
Рульовий гвинт – шарнірний (має горизонтальний суміщений та осьові шарніри), обертається спереду вгору-назад. Діаметр його 1,2 м, кількість обертів за хвилину – 2500.
Втулка РВ складається з хрестовини та двох склянок, склепаних з лопатями. Як осьові підшипники служать дві бронзові втулки, а відцентрову силу сприймає різьблення М24х1,5. Ущільнення здійснюється гумовим кільцем, яке фіксується шайбою та пружинним кільцем. Повідці осьових шарнірів зміщені від осі горизонтального шарніра (ГШ) на 30 °. Мастило – маслом МС-20, залитим у склянку перед складання.
1 — хрестовина (18Х2Н4МА ), 2 – палець (30ХГСА), 3 – втулки (бронза), 4 – палець тяги, 5 – повідець осьового шарніра (30ХГСА), 6 – лопата, 7 – склянка лопаті (30ХГСА), 8 – кільце ущільнювальне гумове, кільце стопорне.
Горизонтальний шарнір зібраний на бронзових втулках та цементованому пальці, що фіксується на вилці ГШ від провороту.
При складанні лопатей зі склянкою особлива увага зверталася на співвісність їх осей.
1,2 — бойки лонжерона зовнішні (листяниця, сосна північна, ясен, бук щільністю 0,8 г/см3), 3 — покриття (склотканина s0,1, два шари), 4 — дрока середня (клин «нанівець» »), 5 – елемент лонжерону (клин «на ні») середній, 6 – елементи лонжерона зовнішні (сосна південна, ялина щільністю 0,25-0,42 г/см 3 ), 7 – пінопласт (ПС, щільність 0,15 г/см3), 8 – покриття (склотканина s0,05, два шари, другий шар під кутом 45° до осі), 9 – вантаж (свинець), 10 – Покриття (склотканина s0,1, два шари, один шар під кутом 45 ° до осі), 11 – заклепка, 12 – триммер.
Тепер трохи про вибір основних параметрів лопат повітряних гвинтів.
Середня аеродинамічна хорда (САХ) лопаті обчислюється з умови, що коефіцієнт заповнення диска (К), що омітається, буде в межах 0,025-0,035 (менша величина – для великих окружних швидкостей, 200-220 м / с; а велика – для менших, 170-190 м/с), за формулою:
bmin = (Sнв * K) / DHB;
де bmin – мінімальна САХ.
На гвинтокрилі АВ-1 для гвинта, що несе, величина коефіцієнта K = 0,028, так як окружні швидкості обрані в межах 190-210 м / с. При цьому САХ прийнята рівною 140 мм.
На літальному апараті бажано мати все дуже легке. Але стосовно НВ ми можемо говорити про мінімально допустиму масу, оскільки від маси лопаті залежить відцентрова сила, необхідна створення конуса обертання несучого гвинта. Бажано, щоб цей конус був у межах 1-3°.
Виготовити лопаті масою 2-3 кг навряд чи можливо і навіть небажано, оскільки буде малий запас кінетичної енергії при аварійній посадці на авторотації з підривом, а також при переході на режим авторотації з моторного польоту. Маса 7-8 кг для аварійного випадку хороша, але на режимах максимальних оборотів НВ даватиме значну відцентрову силу.
На АВ-1 застосовано лопату масою не більше 4,6—5,2 кг, що забезпечує максимальне навантаження від відцентрових сил до 3600 кгс. Міцність втулки НВ розрахована на це навантаження (з 7-кратним запасом міцності); її маса становить 4,5 кг.
Пропонована форма лопаті в плані та крутка – результат дослідів з лопатями різної форми, круток та профілів.
Лопаті НВ повинні задовольняти двом суперечливим вимогам: добре авторотувати (тобто забезпечувати малу швидкість зниження на авторотації при відмові двигуна) та з максимальним ККД використовувати потужність двигуна на моторному польоті (для швидкопідйомності, максимальної швидкості та економічності).
Розглянемо варіанти лопатей для вертольота та для автожиру.
У хорошого автожиру крутка зворотна, тобто кут установки лопаті у комля негативний (-5 ° -8 °), а кінцевої ділянки – позитивний (+2 °). Профіль плоскопуклий або S-подібний. В даний час широко застосовують профіль NACA 8-Н-12 (S-подібний, 12-відсотковий). Форма лопаті у плані – прямокутна.
У гарного гвинтокрила крутка пряма, тобто у комля кут установки позитивний (+8 ° … + 12 °) по відношенню до кінцевої ділянки. Профіль NACA 23012, відносна товщина якого на кінці – 12%, а у комля – 15%. Форма лопаті в плані – трапецієподібна, зі звуженням 2,4-2,7.
Було здійснено розрахунок форми лопаті в плані методом кінцевих елементів для випадку польоту зі швидкістю 110 км/год і запасом перевантаження лопаті, що «йде назад», – 1,4. При оборотах НВ 580 об/хв, діаметрі НВ 6 м і польотній масі 200 кг вийшла лопата шириною на кінці 80 мм, а у комля 270 мм (звуження 3,4). Зайва ширина лопаті на кінці призводить до зайвої витрати потужності двигуна на подолання турбулентного опору профілю, тому вигідно максимально зменшити змочувану поверхню ділянок, що працюють на великих швидкостях.
З іншого боку, для того щоб був запас підйомної сили на кінцевих ділянках лопаті при затягуванні НВ або при переході на авторотацію (найбільш ймовірних помилках пілотування пілотом-аматором), необхідно мати лопаті трохи ширше за розрахункові.
Мною прийнято звуження лопаті 2, коренева хорда – 220 мм, а кінцева – 110 мм. Для того, щоб примирити гелікоптер з автожиром в одному апараті, довелося застосувати лопаті без крутки.
Складніше із профілями. Кінцева частина лопаті (Rотн = 1 – 0,73) має профіль NACA 23012 з відносною товщиною 12%. На ділянці R = 0,73-0,5 – перехідний профіль від NACA 23012 до NACA 8-Н-12 тільки без S-подібного хвостика.
На ділянці Rотн = 0,5-0,1 профіль NACA 8-Н-12 змінної відносної товщини: 12% на Rотн = 0,5 і 15% на Rотн = 0,3-0,1. Така лопатка добре тягне всіх режимах польоту. На авторотації отримано швидкість зниження вертольота 2,5 м/с. При випробуванні було здійснено посадку на авторотації без підриву, гальмування здійснювалося тангажом і вертикальна швидкість була погашена до нуля, а пробіг становив лише близько 3 м.
На надлегкому гелікоптері у разі відмови двигуна трансмісія РВ від’єднується, так як для його приводу потрібна енергія, що виробляється авторотуючим НВ, що погіршило б авторотацію та збільшило швидкість зниження. Тому для РВ немає потреби в симетричному профілі лопатей. Найкраще підібрати плоскопуклий типу R3. Для підвищення ККД бажано застосовувати крутку (8 °). Крім того, для підвищення ефективності гвинта форму лопаті в плані бажано мати трапецієподібну зі звуженням, рівним 2, і коефіцієнтом заповнення диска, що омітається, в межах 0,08-0,06. Хороші результати дає профіль NACA 64А610-а-0,4 з відносною товщиною 12%.
Виготовити лопаті можна із застосуванням різних технологій. Наприклад, із цільної соснової дошки. Як заготовки вибираються дві дошки з прямошарової, без сучків, сосни середньої щільності, вирізані так, щоб щільні шари були звернені до майбутньої передньої кромки і йшли під кутом 45°. Дошка профільується за шаблоном, зменшеним на товщину обклеювання склотканиною та фарбуванням (0,8-1,0 мм). Після чистової обробки хвостова частина деталі полегшується. Для цього розміткою виділяються лонжеронна частина та задня кромка. Лонжеронна частина у комля становить 45% хорди, а в кінцевій – 20%. Далі свердляться отвори діаметром, що дорівнює відстані від задньої кромки до лонжерону з кроком 40 – 50 мм. Після чого отвори заповнюються твердим пінопластом ПС або ПХВ, шліфуються врівень і обклеюються склотканини. Комлева частина зазвичай обклеюється кілька шарів, з плавним переходом на основне полотно.
Інший спосіб виготовлення лопатей – з декількох бійок. Заготівля виклеюється з трьох-чотирьох бійок, які можуть бути цільними стрічками або склеєними з двох смуг різної щільності. Лонжеронну частину дроки бажано виготовляти з берези або модрини. Спочатку з двох рейок склеюється заготівля бійки завтовшки втричі більша за чистову. Після цього вона розрізається на дві та обробляється до потрібної товщини. При цьому лонжеронна частина різних бійок лопаті робиться різної ширини (на 10 – 15 мм) для палітурки. Можна окремо склеїти лонжерон з 3-4 бійок, а хвостову частину – з однієї або двох. Після профілювання в передню кромку необхідно вклеїти протифлаттерний вантаж на довжині 0,35 R від кінця лопаті, так як флаттер схильні в основному кінцеві ділянки лопатей.
Вантаж робиться зі свинцю чи м’якої сталі. Після вклеювання він обробляється за профілем і додатково прихоплюється до дроків лонжерону смужкою склотканини на епоксидній смолі. Після цього можна всю лопату обклеювати склотканиною.
Під час виготовлення лопаті треба постійно контролювати вагу деталей, щоб після складання та обробки маса лопаті якнайменше відрізнялася від розрахункової.
ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ Гвинтокрила АВ-1
маса, кг
порожнього – 115
польотна – 200-220
Висота, м – 2
Довжина, м – 5
Діаметр НВ, м – 6
Швидкість спуску на авторотації, м/с – 3
Швидкопідйомність, м/с – 3,5
Швидкість, км/год
максимальна – 100
крейсерська – 80
В. АРТЕМЧУК, м. Житомир