Физические параметры лопастей
и их влияние на поведение модели.

Лопасти для вертолета как резина для автомобиля. Мягкие лопасти сглаживают реакции вертолета, делают его более ленивым. Жесткие, напротив, заставляют вертолет реагировать на управление без задержек. Тяжелые лопасти замедляют реакции, легкие обостряют. Лопасти с высоким профилем отбирают больше энергии, а с низким склонны к срыву потока, когда подъемная сила резко снижается. Выбирая лопасти, стоит учесть их параметры и выбрать те, что подойдут вашему стилю и опыту больше всего.

Когда мы выбираем лопасти, то в первую очередь смотрим на их длину, поскольку длина лопасти зависит от класса вертолета. Чаще под длиной подразумевается расстояние от крепежного отверстия лопасти до ее концевой части. Некоторые немногочисленные производители указывают полную длину лопасти от комля до концевой части. К счастью таких случаев мало.

От длины зависит подъемная сила, и сопротивление вращения которые создает лопасть. Длинная лопасть способна создать большую подъемную силу, но при этом отнимает больше энергии на вращение. С длинными лопастями модель стабильнее при висении и обладает большей "летучестью", т.е. способна на более крупные маневры и лучше выполняет авторотацию.

Хорда (ширина лопасти)

Важный параметр лопасти, который чаще всего не указывают вовсе, и остается только измерить хорду самостоятельно. Чем шире лопасть, тем больше подъемную силу она может создать при тех же углах атаки и тем резче вертолет при управлении по циклическому шагу. Широкая лопасть имеет более высокое сопротивление вращения и потому сильнее нагружает силовую установку. При использовании лопастей с широкой хордой важна точная работа шагом, иначе можно легко "задушить" мотор. Наибольший разброс ширины встречается у лопастей для вертолетов 50-ого класса и выше.

Материал

Следующее, на что нужно обратить внимание, это материал, из которго сделаны лопасти. Сегодня наиболее распространенные материалы, из которых изготавливают лопасти вертолетов это карбон и стеклопластик. Деревянные лопасти постепенно сходят со сцены, так как не обладают достаточной прочностью и сильно ограничивают вертолет в летных возможностях. К тому же деревянные лопасти склонны к изменению формы, что приводит к постоянному появлению «бабочки». Пожалуй, наименьшее, на что сегодня стоит соглашаться, это стеклопластиковые лопасти. Они не страдают изменением формы, обладают достаточной жесткостью для выполнения легкого 3D и отлично подойдут начинающим вертолетчикам. Пилоты со стажем непременно выберут карбоновые лопасти как наиболее жесткие, позволяющие вертолету выполнять экстремальные фигуры высшего пилотажа и наделяют вертолет молниеносной реакцией на управление.

Важный параметр - вес лопасти. При прочих равных более тяжелая лопасть сделает вертолет более стабильным, снизит скорость управления по циклическому шагу. Тяжелая лопасть добавит стабильности и размеренности и запасет больше энергии при выполнении авторотации, что сделает маневр более комфортным. Если вы стремитесь к 3D полетам, выбирайте более легкие лопасти.

Прямая, трапециевидная. Чаще встречается прямая форма, трапециевидная скорее относится к экзотике. Последняя позволяет снизить сопротивление вращения ценой снижения отдачи.

Симметричный - высота профиля одинаковая сверху и снизу лопасти. Лопасти с симметричным профилем способны создавать подъемную силу только при ненулевом шаге. Такие лопасти наиболее распространены среди современных вертолетов и используются на всех моделях, выполняющих 3D пилотаж.

Полусимметричный – снизу лопасти профиль имеет меньшую высоту. Такие лопасти способны создавать подъемную силу даже при нулевых углах атаки, т.е. Создают подъемную силу аналогично тому, как это делает крыло самолета. Такие лопасти используются редко, как правило, только на больших копийных вертолетах.

Высота профиля

Чем выше профиль, тем лучше он сопротивляется срыву потока, но тем выше его сопротивление. Деревянные лопасти обычно имеют более высокий профиль, но лишь для того, что бы обладать достаточной прочностью.

Толщина комля напрямую связана с размером цапф вашего вертолета. Если комель толще, то лопасть не влезет в цапфу, если наоборот – будет болтаться. Обычно в пределах одного класса вертолетов толщина комля стандартна, тем не менее, при покупке лопастей убедитесь, что они подходят к вашему вертолету. Некоторые производители комплектуют лопасти шайбами-проставками, которые можно использовать, если посадочное место цапфы больше толщины комля. Такие шайбы надо устанавливать парами сверху и снизу комля, что бы лопасть была закреплена по центру цапфы.

Диаметр крепежного отверстия

Диаметр отверстия должен совпадать с диаметром крепежного винта цапфы. Как и толщина комля, этот параметр стандартный, тем не менее, стоит его проверить перед покупкой лопастей.

Положение крепежного отверстия относительно наступающей кромки

Определяет то, насколько наступающая кромка лопасти выступает вперед цапфы. Смещенное назад отверстие приводит к тому, что при вращении лопасть отстает от цапфы, что делает такие лопасти более стабильными. Напротив, смещение отверстия к наступающей кромке заставляет лопасть при вращении выдвигаться вперед цапфы, и такое положение делает лопасть менее стабильной.

Форма концевой части влияет на сопротивление вращения ротора. Различают прямую, закругленную и скошенную форму. Более прямая форма создает подъемную силу по всей длине лопасть, но и имеет наибольшее сопротивление вращения.

Продольный центр тяжести

Положение центра тяжести в продольном направлении. Чем ближе центр тяжести к концевой части лопасти, тем лопасть более стабильна и лучше выполняет авторотацию. Наоборот, смещение центра тяжести к комлю делает лопасть более маневренной, но страдает накопление лопастью энергии при авторотации.

Поперечный центр тяжести

Положение центра тяжесть поперек лопасти, от наступающей кромки к отступающей. Обычно стараются размещать центр тяжести так, чтобы при вращении лопасть не отставала от цапфы и не выступала вперед. Лопасть с сильно смещенным назад центром тяжести выступает при вращении вперед цапфы и, следовательно, более динамична.

Динамическая балансировка: выступающая/отступающая лопасть

Параметр зависит от положения крепежного отверстия, веса, положения поперечного и продольного центров тяжести. В целом, если лопасть при вращении выступает вперед цапфы, то такая лопасть более маневренная и больше подходит для 3D полетов, но делает вертолет недостаточно стабильным. Если напротив лопасть при вращении отстает от цапфы, то такая лопасть более стабильная. Если лопасть не отстает и не выступает, то это нейтральная лопасть, Такая лопасть наиболее универсальная и одинаково хорошо подходит как для маневров висения и для 3D полетов.

Ночные лопасти

Ночные лопасти со встроенными светодиодами и встроенным, либо съемным аккумулятором служат для комплектации вертолета для ночных полетов. Совместно с лопастями используются различные способы подсветки корпуса вертолета.

Лопасти с защитным стержнем

Стержень не дает лопасти разлетаться на отдельные части в случае падения. Очень полезный элемент безопасности, который к сожалению присутствует только в дорогих лопастях известных производителей. Случается, что обломки лопастей, не оборудованных таким стержнем, разлетаются на расстояние до 10 метров от места падения и могут привести к травме.

Олег Муринский (Aarc)

Условия работы лопасти несущего винта вертолета во многом отличаются от условий работы крыла самолета. Основная особенность в том, что действующие на нее нагрузки являются переменными во времени. Поэтому при выборе материала элементов лопасти в качестве главных выдвигаются следующие требования:

Усталостная прочность: трещино стойкость (сопротивление распространению усталостной трещины) и слабая чувствительность к концентраторам напряжений;

Неизменность механических свойств материала элементов и их соединений от заданного времени эксплуатации, температуры и атмосферных условий окружающей среды;

Технологические требования: возможности производства по обеспечению заданных форм сечения элементов конструкции; повышение ресурса элементов конструкции методами упрочнения; контроль за качеством соединений и заданными геометрическими

размерами при изготовлении элементов конструкции в процессе сборки лопасти; ремонтопригодность конструкции лопасти в процессе ее эксплуатации.
Кроме перечисленного, необходимо учитывать стоимость материала и технологического процесса изготовления лопасти и стоимость ее эксплуатации.

С учетом вышеизложенных требований выбирают тот материал, а который имеет максимальные удельную прочность - и удельный Е модуль упругости - р.

При формировании лонжерона лопасти из гибридных композиционных материалов стремятся к максимальной их совместимости с материалом матрицы, например, по величине динамического удлинения, степени адгезии, по коэффициенту линейного и объемного расширения, влагоёмкости, времени старения, чувствительности к ударным нагрузкам.

Чувствительность к ударным нагрузкам определяется величиной ударной вязкости. Для волокнистых композитов ударная вязкость характеризуется отношением. Одним из способов повышения ударной вязкости композитов является введение в их состав более прочных и менее жестких волокон, например стеклянных или органических - в углепластики.

В процессе развития вертолетостроения основной силовой элемента лопасти - лонжерон - выполнялся из дерева, легированных сталей, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, титановых сплавов. В настоящее время широко практикуется изготовление лонжерона из композиционных материалов.

Агрегаты каркаса - обшивка, нервюры, хвостовой стрингер, ранее изготовляемые из фанеры, полотна, алюминиевых сплавов, в современных лопастях изготавливаются также из КМ.
Дерево нашло применение в практике Ухтомского вертолетного завода им. Ы.И. Камова в период его становления. Определяющими в выборе этого материала являлись следующие соображения: древесина малочувствительна к концентраторам напряжений, трещино стойкая; она не требует сложного технологического оборудования при изготовлении лонжерона и каркаса лопасти; затраты на изготовление лопасти не велики.

Центральная часть лонжерона выполнялась из дельта- древесины (склеенные тонкие листы древесины), носовая часть профиля состояла из набора склеенных сосновых реек. Хвостовая часть представляла собой каркас из фанерной обшивки, приклеенной к пенопласту. Поверхность лопасти покрывалась полотном и влагостойким лаком.
В процессе эксплуатации выявились существенные недостатки деревянной лопасти:

Несмотря на влагостойкое покрытие поверхности лопасти элементы конструкции насыщались влагой, что приводило к изменению центра тяжести сечения (смещался назад) и уменьшению критической скорости флаттера лопасти;

Пропитка антисептиками не устраняла в процессе эксплуатации гнилостного разрушения древесины, при том что ее механические свойства ухудшались.

В практике Московского вертолетного завода им. М.Л. Миля в лопастях НВ применялась смешанная конструкция - лонжерон выполнялся из стальной трубы, а в элементах каркаса использовалось дерево и полотно.

Требования прочности, жесткости и аэродинамики с учетом технологических возможностей привели к необходимости изменения форм сечения лонжерона по радиусу с цилиндрической на эллиптическую. Металлургическая промышленность не располагала оборудованием для формирования данного лонжерона из одной заготовки. Поэтому конструкторы вынуждены были ввести телескопические стыки, соединенные стальными заклепками, с использованием упрочняющей технологии (дорнирование отверстий), плавные переходы жесткости в месте стыка, продольную шлифовку внутренней и внешней поверхностей каждой части лонжерона.

Учитывая характер аэродинамических нагрузок по хорде профиля, переднюю часть профиля лопасти выполняли из фанеры, а заднюю - из полотна в комлевой части лопасти и фанерной обшивки в средней и концевой ее части.

Аэродинамические нагрузки и центробежная сила, действующая на каркас, через нервюры передавались на лонжерон. Передача сил и моментов на лонжерон осуществлялась через фланцы, приклепанные к лонжерону и стенке нервюры.

В процессе эксплуатации выявился ряд недостатков принятой конструктивно-силовой схемы лопасти. Наличие стыков и заклепочных соединений существенно усложнило процесс достижения необходимого ресурса лопасти. Использование в хвостовой части без моментной обшивки (полотна) приводило к тому, что под действием внешних аэродинамических сил и центробежной силы воздуха, находящегося внутри каркаса, существенно искажался профиль лопасти, что ухудшало его аэродинамические характеристики.

Введение дренажного отверстия на нижней поверхности в конце лопасти привело к местным потерям на перетекание воздуха внутри каркаса под действием центробежных сил. Устранение этого недостатка за счет отказа от полотна и переход па фанерную обшивку по всей поверхности лопасти существенно увеличило массу лопасти и сдвигало центр масс лопасти назад. В результате совместной деятельности конструкторов, технологов и металлургов по устранению отмеченных недостатков был создан лонжерон заданного переменного сечения без стыков, а хвостовую часть лопасти стали выполнять из дюралюминевой обшивки, подкрепленной сотовым блоком, не изменяющей форму под действием аэродинамических нагрузок.

Для трубчатого лонжерона применяется обычно труба из высоколегированной стали типа ЗОХГСА или 40ХНМА, закаленной и отпущенной на прочность (с^ = 1100-1300 МПа). После горячей и холодной прокатки, формообразования и закалки наружная и внутренняя поверхности трубы полируются. На внешней и внутренней поверхностях лонжерона создается наклеп виброударным способом, повышающий предел выносливости до а ю = 280-300 МПа mi» при постоянной части нагружения ат= 200-250 МПа.

В конструкции лопасти, основанной на стальной трубе, лонжерон обычно защищен каркасом и не может быть механически поврежден в эксплуатации.

Использование прессованного профиля из дюралюминиевого материала позволило формировать профиль лонжерона с наиболее целесообразным сечением (2.3.1). Применение замкнутого профиля, полученного методом прессования (экструзия), ограничил диапазон использования существующих дюралюминиевых сплавов. В процессе прессования происходит разделение материала на две части, поэтому в формирующем профиль инструменте (фильере) эти две части должны соединяться и свариваться давлением. Чтобы структура материала в местах сварки не ухудшалась, необходимо применять материал с высокой коррозионной стойкостью, Усталостная прочность дюралюминиевого лонжерона может снизиться из- за дефектов, возникающих в процессе прессования профиля и механической обработки.лонжерона. Поэтому необходимо не только наружную, но и внутреннюю поверхности лонжерона упрочнять виброударным способом. Предел выносливости может быть доведен до а = 55-60 МПа при о т= 60 МПа. Для исключения минимальной возможности коррозионного повреждения прессованных лонжеронов в процессе производства и в условиях эксплуатации необходимо применять гальванические покрытия (например, анодирование) после промежуточных операций его обработки.

Процесс прессования не позволяет изменять форму сечения по заданному закону, поэтому требуемую высоту профиля по длине лопасти можно обеспечить только за счет фрезерования внешней поверхности. В результате конструктор имеет возможность разрабатывать конструктивно-силовую схему лопасти только прямоугольной формы в плане (сужение r| = 1).

Контакт поверхности лонжерона с потоком воздуха привел к необходимости защиты этой поверхности от эрозионного повреждения.

Была сделана попытка формирования лонжерона лопасти из многослойного тонкого листа нержавеющей стали, соединенного в монолит при помощи склейки. Предполагалось создание конструкции, обладающей большой стойкостью к распространению усталостной трещины. Органическим недостатком данной конструкции была невозможность обеспечения качественной склейки и устранения выявленных дефектов клеевых поверхностей.

Лопасти с лонжероном замкнутой формы позволяют использовать технические средства постоянного контроля усталостных разрушений материала лонжерона. Система сигнализации повреждения цельнометаллических лонжеронов состоит из сигнализатора давления воздуха и заглушек на концах лонжерона (2.3.2). Внутренняя полость лонжерона заполняется воздухом под давлением, превышающим давление начала срабатывания сигнализатора.

В случае появления в лонжероне трещины давление воздуха в нем падает. Информация о разгерметизации полости лонжерона поступает от сигнализатора давления в виде выдвижения красного колпачка сильфона, установленного в комлевой части каждой лопасти.

Индикация давления воздуха в лонжеронах в кабину экипажа не выводится, т.к. процесс роста трещины до разрушения лонжерона в несколько раз превышает время максимально возможной длительности полета вертолета. Контроль за состоянием лопасти осуществляется при меж полетном осмотре по положению сигнализатора.

Давление воздуха в лонжероне создается с учетом температуры окружающего воздуха и с учетом давления начала срабатывания сигнализатора.

В лопастях вертолета Ми-26 стальные трубчатые лонжероны по наружной поверхности облицованы стеклолентой, за счет чего при возникновении трещины в лонжероне исключается возможность обнаружения повреждения лонжерона с помощью пневматической системы сигнализации. Для обеспечения надежного функционирования системы сигнализации повреждения лонжерона по всей длине его внешней поверхности укладываются двойные фторопластовые шнуры (2.3.3) и после обмотки лентами из стеклоткани производится полимеризация в пресс-форме. Фторопластовые шнуры вытягиваются, образуя воздушные каналы диаметром

2 мм, открытые со стороны внешней поверхности трубы лонжерона. Появление усталостной трещины в зоне воздушных каналов приводит к падению давления в полости лонжерона и срабатыванию сигнализатора. Каналы выполняются двойными по технологическим соображениям - всегда имеется вероятность обрыва фторопластового шнура при его вытягивании из полости длиной 14 м.

Анизотропность композиционных материалов открыла широкие возможности применения их в лопастях НВ. Применение КМ позволяет направленно формировать жесткостные характеристики лопасти (изгибные и крутильные) за счет соответствующей ориентации армирующих волокон композита с учетом сложного характера ее нагружения.

Вертолетостроение является наиболее передовой отраслью авиационной техники, здесь стали смело применять КМ в таком ответственном и сложно нагружаемом агрегате, как лопасть НВ.

Эффективность применения КМ в силовых элементах лопастей определяется рядом преимуществ этих материалов по сравнению с металлами. В частности, аэродинамические и аэроупругие параметры лопастей композитов могут выбираться без учета ограничений, вызываемых технологическими процессами получения катаных, экструдированных (прессованных) или механически обработанных металлических конструктивных элементов.

Композитным конструкциям можно придать сложные аэродинамические формы, а регулируемая анизотропия материала позволяет создавать требуемую жесткость в пределах заданных аэродинамических и аэроупругих параметров. В результате достигается большая аэродинамическая эффективность винтов, определяемая отношением подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению.

С помощью КМ, обладающих более высокой удельной прочностью, изготавливают лопасти меньшей массы, чем металлические. Снижение массы лопастей, в свою очередь, оказывает влияние па центробежные силы, инерцию ротора, частотные и другие характеристики.

Регулируемая в широких пределах анизотропия КМ позволяет получать необходимые конструктивные и демпфирующие параметры лопасти.

Частота собственных колебаний лопасти может быть изменена не только перераспределением массы, но и выбором армирующих волокон, имеющих низкий или высокий модуль упругости, включая их гибридизацию (смешивание), степени армирования и ориентации армирующих волокон относительно оси лопасти. Крутильная жесткость лопасти может быть существенно увеличена за счет добавления слоев с ориентацией ± 45° относительно размаха лопасти при незначительном изменении частот продольных колебаний.

Одним из возможных критериев оптимальности панели из КМ, обеспечивающим минимум ее массы, является условие совпадения траектории армирования с траекторией максимального главного напряжения. Как правило, КМ представляет собой совокупность однонаправленных или тканевых слоев с различными толщинами и углами ориентации волокон. Свойства такого материала определяются свойствами отдельных слоев и структурой.

Эффективная реализация достоинств композитов в конструкциях лопастей требует решения комплекса задач, связанных с выбором взаимно согласованных исходных компонентов (волокон и матрицы), определением рациональной структуры материала, соответствующей характеру внешних нагрузок и других воздействий с учетом специфических свойств материала и технологических ограничений при разработке элементов лопасти.

Механическое поведение КМ определяется высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе «матрица - волокно».

Наибольшее применение получили стеклопластиковые КМ на эпоксидной матрице. Это объясняется в первую очередь низкой стоимостью стеклопластика. Дальнейшее развитие конструкции лопасти из КМ связано с использованием гибридных композиций

Сочетания углеволокна с органоволокном и других подобных вариантов.

Углепластик, обладая высокой прочностью, чувствителен к ударным нагрузкам. Введение менее жесткого материала и защита поверхности лонжерона от каких-либо повреждений предоставляет возможности широкого применения подобных композиций.

Лонжерон с замкнутым коробчатым сечением £)-образной формы может быть изготовлен методом намотки однонаправленной лентой на оправке. Этот метод изготовления лонжеронов лопасти широко применяется при крупном серийном производстве, где целесообразно максимально автоматизировать процесс изготовления. В практике ОКБ Н.И. Камова выбрана технология изготовления лонжерона частями методом выкладки из различных тканей или лент однонаправленного материала на оправках.

Листы материала лонжерона собирают в пакеты и подвергают предварительной опрессовке в автоклаве при невысокой температуре. Листы при этом слипаются, пакеты приобретают необходимые для дальнейшей сборки форму и жесткость, а полимеризации связующего практически не происходит. После опрессовки пакеты представляют собой профиль открытого контура.

Затем пакеты собираются совместно с центровочными грузами, нагревательным элементом и комлевыми пластинами в один блок, внутри которого располагается технологическая резиновая пресс- камера. Блок пакетов с пресс- камерой помещают в специальную пресс-форму, внутренний контур которой соответствует внешнему контуру носовой части лопасти.

В пресс-камеру подается сжатый азот, а пресс-форму нагревают. При этом лонжерон приобретает необходимую форму, связующее полимеризуется и все элементы лонжерона прочно склеиваются между собой. По окончании процесса прессования лонжерон извлекают из пресс-формы, удаляют из него пресс-камеру и обрезают припуски. Такой способ производства позволяет получить лонжерон замкнутого контура из различных армирующих наполнителей на разных связующих, в любом сочетании с неограниченными возможностями по их размещению в конструкции. К сборочному приспособлению для изготовления лонжерона заданного сечения предъявляется ряд требований при назначении режимов давления, нагрева, охлаждения и выдержки при отвердении. Эти требования направлены для исключения остаточных деформаций и коробления за счет температурных напряжений и неравномерности распределения массы материала и толщин в процессе формирования лонжерона.

Тип исходных КМ для лонжеронов выбирается в зависимости от летно-технических данных вертолета. Для малонагруженных лопастей вертолетов используется дешевая стеклоткань сатинового переплетения. Для высоконагруженных лопастей используются гибридные КМ на основе высокопрочной стеклоткани, углеродной ленты и технической ткани на эпоксидном связующем.

Применение гибридных КМ позволяет основной силовой элемент - лонжерон - изготавливать с практически любым заданным распределением масс и жесткостей по длине лопасти.

В силу требований, предъявляемых к лопастям, и учитывая действующие нагрузки, хвостовые секции лопасти должны отвечать следующим требованиям: прочность конструкции, минимальная масса, жесткость конструкции, достаточный ресурс (не менее ресурса лонжерона лопастей), гладкость аэродинамической поверхности, возможность изготовления в серийном производстве, возможность ремонта в полевых условиях и др.

В эксплуатации хорошо зарекомендовали себя хвостовые секции лопасти трёхслойной сотовой конструкции. Такая секция имеет обшивку, торцевые нервюры и стрингеры из технической ткани на основе органических волокон и заполнитель из сот. Применение в конструкции хвостовых секций самого легкого КМ дает возможность снизить массу секций по сравнению со стеклопластиком и увеличить ресурс.

Большой опыт, накопленный при эксплуатации вертолетов «Ка», показал, что лопасти из КМ имеют наилучшие эксплуатационные качества. Важнейшие из них состоят в следующем:

Большой запас прочности при фактически неограниченном по условиям выносливости ресурсе. Практический срок службы лопастей из КМ определяется степенью их естественного износа, зависящего от условий эксплуатации;

Повышение срока службы не только лопастей несущего винта, но и всего вертолета за счет снижения статических и динамических нагрузок в несущей системе, благоприятных частотных характеристик и уменьшения уровня вибраций вертолета. Это обеспечивается технологическим процессом, который позволяет изготавливать лонжерон с переменными по длине формой сечения и толщиной стенки, а также применять совместно разные типы армирующего материала с разной ориентацией. Эти важнейшие качества дают существенные преимущества не только перед металлическими лопастями, но и перед другими конструкциями лопастей из КМ;

Высокая степень ремонтопригодности. Благодаря ценным свойствам КМ - высокой стойкости к концентраторам напряжений и низкой скорости разрушения материала - достигается простота и доступность ремонта даже крупных повреждений лопасти в полевых условиях;

Высокая стойкость лопастей практически ко всем видам агрессивных веществ, топливам, ядохимикатам, маслам и пр.;

Стабильность летно-технических характеристик лопасти в процессе длительной эксплуатации в любых климатических условиях. Длительный опыт эксплуатации вертолетов с лопастями из КМ показал, что изменения механических свойств материала настолько незначительны, что они не влияют ни на летно-технические характеристики, ни на срок службы лопастей.

На характеристики КМ в процессе эксплуатации оказывает влияние влажность.

Важным элементом конструкции модели вертолета являются лопасти несущего винта. Их весовые и аэродинамические характеристики определяют летные качества модели. В настоящее время фирмы предлагают большой ассортимент лопастей несущего винта, оптимизированных для определенного типа моделей и различных видов полета (высшего пилотажа, авторотации, перевернутого и т.п.). Фирменные лопасти обладают единственным недостатком - большой ценой для моделистов из стран СНГ (на один комплект лопастей может потребоваться среднемесячная зарплата). Как показывает практика, моделисты, особенно начинающие, могут в летный сезон вывести из строя до десятка пар лопастей. Даже опытные моделисты не застрахованы от поломки лопастей. При любой ошибке в пилотировании или при отказе материальной части модели в первую очередь "страдают" лопасти несущего винта. Поэтому естественно желание многих моделистов самостоятельно освоить технологию изготовления лопастей несущего винта модели вертолета.

На первых радиоуправляемых моделях вертолетов применялись лопасти, изготовленные полностью из дерева. Сегодня такие лопасти применяются, как правило, на тренировочных моделях. Основным материалом фирменных лопастей в настоящее время является стекло- и углепластик. Лопасти из такого материала самостоятельно в домашних условиях изготовить довольно проблематично. Для обеспечения необходимой центровки эти лопасти загружаются дополнительным балластом. При неправильном расположении этот груз, под воздействием центробежной силы (в лопасти несущего винта эта сила достигает несколько сотен килограмм), может вылететь и вызвать тяжелые последствия для моделиста и окружающих. Поэтому самостоятельно лучше изготавливать лопасти из дерева, при балансировке которых практически не нужно использовать балласт. Кроме того, при разрушении деревянные лопасти хорошо гасят энергию удара, предохраняя от поломки элементы головки ротора и привода модели. По форме профиля лопасти бывают симметричные и плосковыпуклые. Симметричные профили применяют для лопастей спортивных моделей, выполняющих высший пилотаж. Плосковыпуклые профили применяют на лопастях "хоббийных" моделей. Следует отметить, что в домашних условиях проще изготовить лопасти с плосковыпуклым профилем, постоянным по всей длине. Как показывает практика, для таких лопастей хорошо подходит профиль Clark-Y.

Геометрические размеры лопастей определяются специальным аэродинамическим расчетом. Однако методика расчета довольна сложна и выходит за рамки настоящей статьи. Для практики целесообразно пользоваться данными, полученными, например, при измерениях фирменных лопастей. Как правило, для моделей 30 класса применяют лопасти длиной 450-500 мм, шириной 49-50мм. Для 40 класса - 520-550 мм, шириной - 49-50 мм. Для 60 класса- 620-680 мм, шириной - 55-61 мм. Например, для вертолета Хеликс, упоминавшемся в ранних статьях, при весе модели около 4,3 кГ с двигателем 10 см 3 , при диаметре несущего винта, равном 1400 мм, лопасти имеют длину 625 мм и ширину 55 мм.

Кроме геометрических размеров важное значение имеет правильная поперечная и продольная балансировки лопастей. При несоблюдении условий балансировки, как правило, возникает сильная вибрация всего вертолета, разрушение тяг и рулевых машинок управления шагом, даже флаттер и разрушение лопастей. Для избежания флаттера и больших динамических нагрузок на органы управления точка крепления лопасти к головке ротора должна находиться на таком же расстоянии от передней кромки, как и центр тяжести лопасти. Кроме того, центр тяжести лопасти должен находиться ближе к передней кромке, чем фокус профиля (центр приложения подъемной силы). Для выполнения последнего условия в носик стекло- и углепластиковых лопастей несущего винта загружают балласт. Для деревянных же лопастей с этой целью переднюю часть изготавливают из твердой и тяжелой древесины (бук, дуб), а заднюю - из бальзы средней плотности или из легкой липы и даже твердого пенопласта. Для повышения прочности и избежания коробления переднюю кромку лопасти делают не из цельного куска бука, а из склеенных вдоль волокна отдельных брусков, ориентированных в разные стороны. Дерево должно быть хорошо высушенным и не иметь сучков и других дефектов.

Для примера рассмотрим технологию изготовления деревянных лопастей (рис.1) несущего винта модели вертолета Хеликс (журнал "Моделист - конструктор" №4 за 1984 год), которая успешно применялась автором и его коллегами на протяжении последних шести лет.

"...В основном из-за упрощения обработки лопасти имеют на всей своей длине постоянный профиль Clark-Y, геометрическая крутка отсутствует - установочный угол одинаков для всех сечений. Передняя половина каждой пластины буковая, задняя из бальзы средней плотности. Так как начинающему "вертолетчику" понадобится не один комплект лопастей, лучше изготовить сразу несколько пар, да и из большого количества заготовок проще выбрать пары одинаковой массы.

Единая заготовка склеивается из бальзовой пластины (толщина 30мм, длина 650 мм, ширина - максимально доступная) и трех буковых таких же размеров, но толщиной 8 мм, на эпоксидной смоле. На ленточной или циркулярной пиле заготовка разрезается на бруски толщиной 10 мм, затем обрабатывается по профилю лопасти. Эту операцию лучше выполнить специальной фигурной фрезой после фугования нижней плоскости. Ручная же обработка верней поверхности по шаблонам трудоемка, длительна и менее точна, чем механическая. Да и возможный разброс деталей по массе при ручном способе больше. После завершения работ заготовки несколько раз покрывают эмалитом, шпаклюются нитролаком с замешанной в нем детской присыпкой. Корневая часть каждой лопасти обтягивается тонкой стеклотканью на эпоксидной смоле, а на всю поверхность накладывается длинноволокнистая бумага на эмалите. Поочередным вышкуриванием и лакировкой добиваются получения несильного ровного блеска, затем следует основательная сушка.... После этого приступают к статической балансировке и окончательной обработке лопастей.

Простейшее приспособление для фугования лопастей можно изготовить на базе деревообрабатывающего станка "Умелые руки" (рис.2).

Для этого изготавливают из листа дюральки (2-3 мм) подвижный столик (выделен черным цветом на рисунке), один конец которого крепится к станку с помощью кусочков рояльных навесов. С другой стороны столик упирается в винт, поворачивая который, мы можем менять зазор между столиком и фрезой. В качестве фрезы можно использовать деревянную заготовку, обработанную на токарном станке по шаблону профиля, на поверхность которой наклеивают под углом 45 0 к торцу три-четыре полоски крупнозернистой наждачной бумаги. Как показал опыт, лучше всего наждачную бумагу приклеивать обычным канцелярским клеем, при фиксации концов на торце фрезы небольшими гвоздями. Другие клеи не выдерживали из-за сильного нагрева бумаги во время работы станка. Можно изготовить несколько фрез с различной зернистостью наждачной бумаги. Фрезу с более мелкой наждачной бумагой можно использовать для окончательной доводки поверхностей лопастей. Процесс фрезерования лопастей многократный, с постепенным поднятием столика. Фрезерование за один проход не получится из-за малой мощности станка. Вместо бальзы можно использовать легкую липу. В этом случае отфрезерованные лопасти просто покрывались лаком и полировались. Оправдало применение и жесткого пенопласта, но в этом случае всю лопасть необходимо обтягивать пленками. Современные пленки можно применять и при использовании бальзы.

Основную сложность при изготовлении лопастей представляет процесс балансировки лопастей. Не вдаваясь в теорию, отметим, что лопасти будут статически и динамически сбалансированы, если они имеют одинаковый вес и их центры тяжести находятся на одинаковом расстоянии от точки крепления к втулке и от передней кромки. Иными словами, только при выполнении одновременно этих двух условий лопасти не будут вызывать дополнительной вибрации. Существует множество методов балансировки лопастей несущего винта. Они отличаются применяемыми средствами и методами измерений и сравнений массы и координат центра тяжести лопастей. Так, например, для Хеликса предлагается ".. отбирать пары лопастей с разбросом по массе не более 5 г (большие устранить слишком сложно).Уже на данном этапе понадобятся лабораторные весы с точностью взвешивания не менее 0,1 г. Путем вывешивания на ребре дюралюминиевого уголка для каждой лопасти отыскивают положение центра тяжести по длине (радиусу ротора). Если эта величина окажется одинаковой для данной пары, можно заняться довешиванием более легкой лопасти путем нанесения на всю ее поверхность нескольких слоев жидкого лака с последующей шкуровкой. Но скорее всего, положения центров тяжести не совпадут. Совместить их лучше всего на счет высверливания двух-трех отверстий диаметром 4-5 мм в буковом концевом, более массивном торце на глубину до 70 мм. Сверловка в корне нежелательна - значительно ослабляет наиболее нагруженные участки ответственной детали. После продольной балансировки опять следует калибровка по массе каждой пары … и т.п. В приведенной методике требуются довольно точные весы, которые есть не у каждого моделиста.

Автор пользуется несколько иной методикой балансировки, без применения высокоточных весов и вывешивания лопастей на уголках. В этой методике применяются балансирные аптекарские весы (рис.3) и измеритель момента (рис.4). С помощью балансирных весов добиваемся равенства массы лопастей (путем нанесения лака или шлифования по всей длине лопасти и т.п.). Затем на измерителе моментов проверяем поочередно каждую лопасть. Если показания измерителя одинаковые, то это свидетельствует о том, что статический момент, т.е. произведение массы на расстояние от точки крепления до центра тяжести каждой лопасти, также одинаков. Если моменты от силы тяжести лопастей одинаковы при равенстве их масс, то и расстояние до центра тяжести каждой лопасти будет также равным. Иными словами, лопасти будут статически и динамически сбалансированы. Если же показания измерителя моментов отличаются, т.е. одна из лопастей по сравнению с другой создает больший или меньший момент от сил тяжести, то, при равенстве их масс, это свидетельствует о несовпадении расстояний от точки подвески до центра тяжести лопастей. Для лопасти, которая создает больший статический момент относительно точки подвести надо сдвинуть центр тяжести ближе к точке подвески, т.е. облегчить концевую часть лопасти. Или наоборот, для другой лопасти утяжелить концевую часть. Необходимо помнить, что любая такая операция (нанесение определенного количества лака или кусочков изоляционной ленты на концы лопастей, высверливанием в их торце отверстий и т.п.) изменяют массу лопастей. Поэтому необходимо вернуться к выравниванию масс лопастей на балансирных весах. Для этой цель автор, например, прикрепляет к лопастям, подвешенные к балансирным весам, одинаковые по массе куски изоляционной ленты. Затем на лопасть, которая создает больший момент, один из этих кусочков изоленты крепится непосредственно около корня её. На измерителе моментов находим точку крепления на другой лопасти второго кусочка изоленты, который обеспечивает равенство моментов от сил тяжести обеих лопастей. Если при такой балансировке количество изоленты получается значительным, то следует предварительно облегчать или утяжелять концы лопастей другими методами, например, нанесением лака или шпаклевки и шлифованием. Высверливание отверстий в торце, как показала практика, довольно трудоемкая и грубая операция, и к ней следует прибегать только в крайних случаях. Но никаких металлических балансиров (винтов, шурупов, кусков олова и т.п.) на концах лопастей устанавливать нельзя.

Следует отметить, что при использовании лаков и шпаклевок необходимо периодически проверять балансировку лопастей, поскольку со временем эти компоненты изменяют свои вес.

Можно применять и другие методики балансировки. Например, для выравнивания моментов от сил тяжести м ожно использовать головку ротора с прикрепленными лопастями. Для этого снятую головку с лопастями устанавливают на уголок и добиваются уже описанными методами равенства моментов, т.е. строгого горизонтального положения ротора. Но и в этом случае необходимо добиваться равенства не только моментов, но и масс лопастей.

Как показывает практика, выполнение этих условий позволяет быстро провести заключительную балансировку всего ротора на работающем вертолете, которую мы подробно рассмотрим в следующих статьях.

В заключение отметим, что приведенная методика позволят быстро изготовить лопасти, пригодные для начального обучения и простого пилотажа. Для других видов полета лопасти должны иметь, как правило, симметричный профиль и специальные утяжелители для повышения весо-динамических характеристик. Но это тема требует отдельного разговора.

За последнее время в мире вертолетной техники произошло несколько значимых событий. Американская компания Kaman Aerospace объявила о намерении возобновить производство синхроптеров, Airbus Helicopters пообещала разработать первый гражданский вертолет с электродистанционным управлением, а немецкая e-volo - испытать 18-роторный двухместный мультикоптер. Чтобы не запутаться во всем этом разнообразии, мы решили составить краткий ликбез по основным схемам вертолетной техники.

Впервые идея летательного аппарата с несущим винтом появилась около 400 года нашей эры в Китае, однако дальше создания детской игрушки дело не пошло. Всерьез инженеры взялись за создание вертолета в конце XIX века, а первый вертикальный полет нового типа летательного аппарата состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. В 1922 году авиаконструктор Георгий Ботезат испытал вертолет-квадрокоптер, разработанный по заказу Армии США. Это был первый в истории устойчиво управляемый полет техники такого типа. Квадрокоптер Ботезата сумел взлететь на высоту пяти метров и провел в полете несколько минут.

С тех пор вертолетная техника претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня делится на пять типов: автожир, вертолет, винтокрыл, конвертоплан и X-крыло. Все они отличаются конструкцией, способом взлета и полета, управлением несущим винтом. В этом материале мы решили рассказать именно о вертолетах и их основных типах. При этом за основу была взята классификация по компоновке и расположению несущих винтов, а не традиционная - по типу компенсации реактивного момента несущего винта.

Вертолет является винтокрылым летательным аппаратом, у которого подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Такие винты располагаются параллельно земле, а их лопасти устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения, причем угол установки может изменяться в достаточно широких пределах - от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.

Во время вращения лопасти захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению винта. В результате перед винтом создается зона пониженного давления, а за ним - повышенного. В случае вертолета так возникает подъемная сила, которая очень похожа на образование подъемной силы фиксированным крылом самолета. Чем больше угол установки лопастей, тем большую подъемную силу создает несущий винт.

Характеристики несущего винта определяются двумя основными параметрами - диаметром и шагом. Диаметр винта определяет возможности вертолета по взлету и посадке, а также отчасти величину подъемной силы. Шаг винта - это воображаемое расстояние, которое воздушный винт пройдет в несжимаемой среде при определенном угле установки лопастей за один оборот. Последний параметр влияет на подъемную силу и скорость вращения ротора, которую на большей части полета летчики стараются держать неизменной, меняя только угол установки лопастей.

При полете вертолета вперед и вращении несущего винта по часовой стрелке, набегающий поток воздуха сильнее воздействует на лопасти с левой стороны, из-за чего возрастает и их эффективность. В результате левая половина окружности вращения винта создает большую подъемную силу, чем правая, и возникает кренящий момент. Для его компенсации конструкторы придумали - это особая система, которая уменьшает угол установки лопастей слева и увеличивает его справа, выравнивая таким образом подъемную силу по обе стороны винта.

В целом, вертолет имеет несколько преимуществ и несколько недостатков перед самолетом. К преимуществам относится возможность вертикального взлета и посадки на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта. При этом вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. Вертолеты отличаются и лучшей маневренностью, поскольку могут висеть вертикально, лететь боком или задом-наперед, поворачиваться на месте.

К недостаткам же относятся большее, чем у самолетов, потребление топлива, большая инфракрасная заметность из-за горячего выхлопа двигателя или двигателей, а также повышенная шумность. Кроме того, вертолетом в целом сложнее управлять из-за ряда особенностей. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.

У вертолетной техники любых схем существует режим авторотации. Он относится к аварийным режимам. Это означает, что при отказе, например, двигателя несущий винт или винты при помощи обгонной муфты отсоединяются от трансмиссии и начинают свободно раскручиваться набегающим потоком воздуха, тормозя падение машины с высоты. В режиме авторотации возможна управляемая аварийная посадка вертолета, причем вращающийся несущий винт через редуктор продолжает раскручивать рулевой винт и генератор.

Классическая схема

Из всех типов вертолетных схем сегодня самой распространенной является классическая. При такой схеме машина имеет только один несущий винт, который может приводиться в движение одним, двумя или даже тремя двигателями. К этому типу, например, относятся ударные AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Ми-28Н, транспортно-боевые Ми-24 и Ми-35, транспортные Ми-26, многоцелевые UH-60L Black Hawk и Ми-17, легкие Bell 407 и Robinson R22.

При вращении несущего винта на вертолетах классической схемы возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Для компенсации момента используют рулевое устройство на хвостовой балке. Как правило им является рулевой винт, но это может быть и фенестрон (винт в кольцевом обтекателе) или несколько воздушных сопел на хвостовой балке.

Особенностью классической схемы являются перекрестные связи в каналах управления, обусловленные тем, что рулевой винт и несущий приводятся одним и тем же двигателем, а также наличием автомата перекоса и множества других подсистем, ответственных за управление силовой установкой и роторами. Перекрестная связь означает, что при изменении какого-либо параметра работы воздушного винта, поменяются и все остальные. Например, при увеличении частоты вращения несущего винта возрастет и частота вращения рулевого.

Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта: вперед - машина полетит вперед, назад - назад, вбок - вбок. При наклоне оси вращения возникнет движущая сила и уменьшается подъемная. По этой причине для сохранения высоты полета летчику необходимо менять и угол установки лопастей. Направление полета задается изменением шага рулевого винта: чем он меньше, тем меньше компенсируется реактивный момент, и вертолет поворачивает в сторону, противоположную вращению несущего винта. И наоборот.

В современных вертолетах в большинстве случаев управление полетом по горизонтали осуществляется при помощи автомата перекоса. Например, для движения вперед летчик при помощи автомата уменьшает угол установки лопастей для передней половины плоскости вращения крыла и увеличивает - для задней. Таким образом сзади подъемная сила увеличивается, а спереди - уменьшается, благодаря чему изменяется наклон винта и появляется движущая сила. Такая схема управления полетом применяется на всех вертолетах почти всех типов, если на них установлен автомат перекоса.

Соосная схема

Второй по распространенности вертолетной схемой является соосная. В ней рулевой винт отсутствует, зато есть два несущих винта - верхний и нижний. Они располагаются на одной оси и вращаются синхронно в противоположных направлениях. Благодаря такому решению винты компенсируют реактивный момент, а сама машина получается несколько более устойчивой по сравнению с классической схемой. Кроме того, у вертолетов соосной схемы практически отсутствуют перекрестные связи в каналах управления.

Наиболее известным производителем вертолетов соосной схемы является российская компания «Камов». Она выпускает корабельные многоцелевые вертолеты Ка-27, ударные Ка-52 и транспортные Ка-226. Все они имеют по два винта, расположенных на одной оси друг под другом. Машины соосной схемы, в отличие от вертолетов классической схемы, способны, например, делать воронку, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее. При этом носовая часть всегда остается развернутой в сторону цели. Управление рысканием осуществляется подтормаживанием одного из несущих винтов.

В целом управлять вертолетами соосной схемы несколько проще, чем обычными, особенно в режиме висения. Но существуют и свои особенности. Например, при выполнении петли в полете может случиться перехлест лопастей нижнего и верхнего несущего винтов. Кроме того, в проектировании и производстве соосная схема более сложна и дорога, чем классическая схема. В частности из-за редуктора, передающего вращение вала двигателя на винты, а также автомата перекоса, синхронно устанавливающего угол лопастей на винтах.

Продольная и поперечная схемы

Третьей по популярности является продольная схема расположения несущих винтов вертолета. В этом случае винты располагаются параллельно земле на разных осях и разнесены друг от друга - один находится над носовой частью вертолета, а другой - над хвостовой. Типичным представителем машин такой схемы является американский тяжелый транспортный вертолет CH-47G Chinook и его модификации. Если винты располагаются на законцовках крыльев вертолета, то такая схема называется поперечной.

Серийных представителей вертолетов поперечной схемы сегодня не существует. В 1960-1970-х годах конструкторское бюро Миля разрабатывало тяжелый грузовой вертолет В-12 (также известен, как Ми-12, хотя этот индекс неверен) поперечной схемы. В августе 1969 года прототип В-12 установил рекорд грузоподъемности среди вертолетов, подняв на высоту 2,2 тысячи метров груз массой 44,2 тонны. Для сравнения самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26 (классическая схема) может поднимать грузы массой до 20 тонн, а американский CH-47F (продольная схема) - массой до 12,7 тонны.

У вертолетов продольной схемы несущие винты вращаются в противоположных направлениях, однако это компенсирует реактивные моменты лишь отчасти, из-за чего в полете летчикам приходится учитывать возникающую боковую силу, уводящую машину с курса. Движение в стороны задается не только наклоном оси вращения несущих винтов, но и разными углами установки лопастей, а управление рысканием производится за счет изменения частоты вращения роторов. Задний винт у вертолетов продольной схемы всегда располагается чуть выше переднего. Это сделано для исключения взаимного влияния от их воздушных потоков.

Кроме того, на определенных скоростях полета вертолетов продольной схемы иногда могут возникать значительные вибрации. Наконец, вертолеты продольной схемы оснащаются сложной трансмиссией. По этой причине такая схема расположения винтов распространена мало. Зато вертолеты продольной схемы меньше других машин подвержены возникновению вихревого кольца. В этом случае во время снижения воздушные потоки, создаваемые винтом, отражаются от земли вверх, затягиваются винтом и снова направляются вниз. При этом подъемная сила несущего винта резко снижается, а изменение частоты вращения ротора или увеличение угла установки лопастей эффекта практически не оказывает.

Синхроптер

Сегодня вертолеты, построенные по схеме синхроптера, можно отнести к самым редким и наиболее интересными с конструктивной точки зрения машинами. Их производством до 2003 года занималась только американская компания Kaman Aerospace. В 2017 году компания планирует возобновить выпуск таких машин под обозначением K-Max. Синхроптеры можно было бы отнести к вертолетам поперечной схемы, поскольку валы двух их винтов расположены по бокам корпуса. Однако оси вращения этих винтов расположены под углом другу к другу, а плоскости вращения - пересекаются.

У синхроптеров, как у вертолетов соосной, продольной и поперечной схем, рулевой винт отсутствует. Несущие же винты вращаются синхронно в противоположные стороны, а их валы связаны друг с другом жесткой механической системой. Это гарантированно предотвращает столкновение лопастей при разных режимах и скоростях полета. Впервые синхроптеры были изобретены немцами во время второй мировой войны, однако серийное производство велось уже в США с 1945 года компанией Kaman.

Направлением полета синхроптера управляют исключительно изменением угла установки лопастей винтов. При этом из-за перекрещивания плоскостей вращения винтов, а значит сложения подъемных сил в местах перекрещивания, возникает момент кабрирования, то есть подъема носовой части. Этот момент компенсируется системой управления. В целом же, считается, что синхроптером проще управлять в режиме висения и на скоростях больше 60 километров в час.

К достоинствам таких вертолетов относится экономия топлива за счет отказа от рулевого винта и возможность более компактного размещения агрегатов. Кроме того, синхроптерам характерна большая часть положительных качеств вертолетов соосной схемы. К недостаткам же относится необычайная сложность механической жесткой связи валов винтов и системы управления автоматами перекоса. В целом это делает вертолет дороже, по сравнению с классической схемой.

Мультикоптер

Разработка мультикоптеров началась практически одновременно с работами над вертолетом. Именно по этой причине первым вертолетом, совершившим управляемый взлет и посадку стал в 1922 году квадрокоптер Ботезата. К мультикоптерам относят машины, как правило имеющие четное количество несущих винтов, причем их должно быть больше двух. В серийных вертолетах сегодня схема мультикоптеров не используется, однако она чрезвычайно популярна у производителей малой беспилотной техники.

Дело в том, что в мультикоптерах используются винты с неизменяемым шагом винта, причем каждый из них приводится в движение своим двигателем. Компенсация реактивного момента производится вращением винтов в разные стороны - половина крутится по часовой стрелке, а другая половина, расположенная по диагонали, - в противоположном направлении. Это позволяет отказаться от автомата перекоса и в целом значительно упростить управление аппаратом.

Для взлета мультикоптера частота вращения всех винтов увеличивается одинаково, для полета в сторону - вращение винтов на одной половине аппарата ускоряется, а на другой - замедляется. Поворот мультикоптера производится замедлением вращения, например, винтов, крутящихся по часовой стрелке или наоборот. Такая простота конструкции и управления и послужила основным толчком к созданию квадрокоптера Ботезата, однако последующее изобретение рулевого винта и автомата перекоса практически затормозило работы над мультикоптерами.

Причиной же, по которой сегодня не существует мультикоптеров, предназначенных для перевозки людей, является безопасность полетов. Дело в том, что в отличие от всех остальных вертолетов, машины с несколькими винтами не могут совершать аварийную посадку в режиме авторотации. При отказе всех двигателей мультикоптер становится неуправляемым. Впрочем, вероятность такого события невысока, однако отсутствие режима авторотации является главным препятствием для прохождении сертификации на безопасность полетов.

Впрочем, в настоящее время немецкая компания e-volo занимается разработкой мультикоптера с 18 роторами. Этот вертолет предназначен для перевозки двух пассажиров. Как ожидается, он совершит первый полет в ближайшие несколько месяцев. По расчетам конструкторов, прототип машины сможет находиться в воздухе не больше получаса, однако этот показатель планируется довести по меньшей мере до 60 минут.

Следует также отметить, что помимо вертолетов с четным количеством винтов существуют и мультикоптерные схемы с тремя и пятью винтами. У них один из двигателей расположен на отклоняемой в стороны платформе. Благодаря этому осуществляется управление направлением полета. Впрочем, в такой схеме становится сложнее гасить реактивный момент, поскольку два винта из трех или три из пяти всегда вращаются в одном направлении. Для нивелирования реактивного момента некоторые из винтов вращаются быстрее, а это создает ненужную боковую силу.

Скоростная схема

Сегодня наиболее перспективной в вертолетной технике считается скоростная схема, позволяющая вертолетам летать на существенно большей скорости, чем могут современные машины. Чаще всего такую схему называют комбинированным вертолетом. Машины этого типа строятся по соосной схеме или с одним винтом, однако имеют небольшое крыло, создающее дополнительную подъемную силу. Кроме того, вертолеты могут быть оснащены толкающим винтом в хвостовой части или двумя тянущими на законцовках крыла.

Ударные вертолеты классической схемы AH-64E способны развивать скорость до 293 километров в час, а соосные Ка-52 - до 315 километров в час. Для сравнения, комбинированный вертолет - демонстратор технологий Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час, а его американский конкурент с толкающим винтом - Sikorksy X2 - до 460 километров в час. Перспективный разведывательный скоростной вертолет S-97 Raider сможет летать на скоростях до 440 километров в час.

Строго говоря, комбинированные вертолеты относятся скорее не к вертолетам, а к другому типу винтокрылых летательных аппаратов - винтокрылам. Дело в том, что движущая сила у таких машин создается не только и не столько несущими винтами, сколько толкающими или тянущими. Кроме того, за создание подъемной силы отвечают и несущие винты, и крыло. А на больших скоростях полета управляемая обгонная муфта отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации, при которой несущие винты работают, фактически, как крыло самолета.

В настоящее время разработкой скоростных вертолетов, которые в перспективе смогут развивать скорость свыше 600 километров в час, занимаются несколько стран мира. Помимо Sikorsky и Airbus Helicopters такие работы ведут российские «Камов» и конструкторское бюро Миля (Ка-90/92 и Ми-X1 соответственно), а также американская Piacesky Aircraft. Новые комбинированные вертолеты смогут совместить в себе скорость полета турбовинтовых самолетов и вертикальные взлет и посадку, присущие обычным вертолетам.

Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com

В настоящее время американские военные заняты оснащением парка своих вертолетов углеродно-волоконными композитными (карбоновыми) лопастями, так как эти новые материалы обладают повышенным сроком службы, хорошо переносят повреждения, у них отсутствуют проблемы с коррозией, и они обладают высокой надежностью.

Крайним военным вертолетом, оборудованным композитными лопастями, стал Boeing AH-64D Апачи Блок III. В Форт-Ирвине, штат Калифорния, Апачи Блок III прошел первоначальные эксплуатационные испытания и оценки, продемонстрировав тем самым новые технологии и их возможности.

Одним из ключевых аспектов этих возможностей является повышение летно-технических характеристик и надежности главного ротора с лопастями из углеродного волокна, однако, по мнению руководителя программы Апачи Блок III подполковника Даниэля Бэйли (Daniel Bailey), использование таких материалов вряд ли остановится только на лопастях. "Лопасти являются первым очевидным шагом", - сказал он изданию Defence Helicopter.

Структурный элемент
Хотя такой важный летный компонент как лопасти может показаться странной отправной точкой для внедрения новых технологий, но именно здесь в последние годы американские военные оттачивали свои навыки в композитных материалах. Бейли указывает на то, что эти материалы будут широко представлены на американских военных "вертолетах завтрашнего дня": "Следующим шагом станут композиты в фюзеляже, и мы уже идем по этому пути".

Апачи также получит новый хвостовой ротор примерно в следующем году. Вне зависимости от процесса Блок III, "наша программа композитных хвостовых роторов продолжается. Это параллельная программа Блок III, - объяснил Бэйли. - Мы находимся на заключительной стадии квалификации, но нам ещё предстоит провести множество летных испытаний. Вероятно, уже через год Апачи будет оснащен такой системой".

Новые хвостовые лопасти также будут установлены на модернизированные модели Блока II . Эта замена традиционных лопастей несущего и рулевого винтов происходит благодаря устареванию некоторых технологий. Эти лопасти, первое использование которых датируется 1970-ми годами, уже не были полностью металлическими. На вертолетах AH-64A и D Блок I и II для лопастей несущего и рулевого винтов используется композит из металла и стекловолокна.

В машиностроении композитным принято считать материал или структуру, состоящую более чем из одного элемента. Лопасти Апачи сделаны из экзотических сплавов в виде нержавеющей стали марки AM 355. Инженеры Boeing использовали различные многотрубчатые конфигурации AM 355, ламинированные и связанные вместе с трубками из стекловолокна в качестве препятствия распространению трещин, что придавало конструкции достаточно прочности для удовлетворения армейским требованиям по живучести. Эта сложная конструкция также является дорогой.

Нынешние композитные лопасти основного и хвостового винтов, представленные на Блоке III и его параллельной программе, состоят из углеродного волокна в полимерной матрице, именно это обычно имеют в виду, когда говорят о композитах.

Улучшенная конструкция
Углеродные волокна демонстрируют улучшения в том, как они изготовлены и как они функционируют. "По средствам изменения ориентации волокон и количества слоев и наполнителей вы можете довести композитные лопасти до уровней, которые были недосягаемы с металлами. По сути, вы можете изготовить лопасть с точки зрения её крутки, её аэродинамического профиля или функции хорды, оптимизируя её летные характеристики", - объяснил главный инженер вертолетных программ Боинга Джон Шиблер (John Schibler).

В композиционных материалах из углепластика слои из волокон часто расположены поочередно друг к другу под прямым углом. Правильно выбирая направление волокон в этих слоях, можно добиться необходимых характеристик в конкретных направлениях и областях.

"Преимущества заключаются в прочности материала и в том факте, что при равной прочности можно обеспечить до 30% снижения веса (по сравнению с металокомпозитами). При одинаковом весе он обеспечивает гораздо более высокую жесткость. Но обычно мы говорим об уменьшении веса", - сказал Даниэль Кагнатель (Daniele Cagnatel), вице президент современных композитных материалов GKN Aerospace North America. Компания поставляет фирме Сикорский современные углеродные волокна для лопастей основного ротора вертолета Black Hawk.

Кроме улучшения жесткости и прочности, Шиблер указывает и на экономическую выгоду: "Мы производим лопасти по сравнительно низкой закупочной стоимости, а также с низкими эксплуатационными расходами и более выгодной ремонтопригодностью".

Фирма Сикорский производит лопасти несущего и рулевого винтов с использованием лонжеронов из графитной смолы, оплетенных стекловолокном или углеродным волокном. Алан Валинг (Alan Walling), генеральный директор композитных лопастей Сикорского, сказал: "Сикорский способен производить полностью композитные лопасти несущего винта всего за треть времени, необходимого для производства металлических лопастей. При производстве композитных лопастей остается значительно меньше химических отходов. Это происходит потому, что металлические лопасти требуют травления в кислотной ванне для обеспечения необходимых летно-технических характеристик лопастей в течение долгого времени".

Улучшенные лопасти
По мнению Кагнателя: "Выбор углеродных волокон для лопастей является обязательным. Существующая структура лопастей доказала себя на практике, где углеродное волокно улучшило летно-технические характеристики по сравнению с металлом".

Выбор лопастей несущего винта Апачи Блок III, изготовленных из углеродного волокна, начался с программы Affordable Apache Rotor Program (AARP). В 2004-ом году Boeing завершила испытания лопастей в рамках программы AARP, доказав, что новые лопасти будут дешевле, прочнее и, с точки зрения усталостной долговечности, смогут служить в два раза дольше по сравнению с существующими металлическими лопастями. Бейли пояснил, что в 2006-ом году лопасти AARP были удлинены на 15 сантиметров для повышения летно-технических характеристик, а в 2008-ом году они были испытаны на Apache, в то время как квалификация лопастей Блок III была завершена в 2011-ом году.

"Композитные лопасти несущего винта для программы Апачи Блок III в настоящее время находятся в производстве. Мы изготавливаем около 20 лопастей в месяц и в ближайшее время нарастим их производство до 40 и до 60", - сказал Шиблер.

В 2013-ом году Блок III будет введен в эксплуатацию в 1-ом ударно-разведывательном батальоне американской армии (1-1 ARB), боевой авиационной бригаде, 1-й пехотной дивизии на базе Форт-Райли, штат Канзас. В мае пять вертолетов Апачи Блок III прибыли в 1-ый ударно-разведывательный батальон для подготовки пилотов и служб технического обслуживания, дополнительные вертолеты прибудут в ближайшие месяцы.

Британская армия летает на вертолетах моделей Апачи Блок I, но они могут быть модернизированы до уровня Блок III. Принятие решения по этому поводу ожидается в декабре. Если решение о модернизации до уровня Блок III будет принято, то Апачи Великобритании также могут получить лопасти несущего винта от британской экспериментальной программы ротора (British Experimental Rotor Programm IV, BERPV IV). Программа BERP IV была завершена в 2007-ом году, и композитные лопасти летают на EH101 Merlin Mk 3 Королевских ВВС.

Испытаны и проверены
Тем не менее, это не первый европейский военный вертолет, использующий карбоновые лопасти. Предшественник Eurocopter, Aérospatiale утверждает, что эта честь выпала на вертолет SA 330 Puma, летающий с 1970-х годов. С тех пор этот тип используется многими вооруженными силами, включая французскую армию и ВМС США. Композитные хвостовые лопасти также используются на вертолетах AS532 Cougar, AS565 Panther, NH90 и Tiger.

Сикорский UH-60M Black Hawk использует углеродные композитные лопасти несущего винта с 2008-ого года. Из вертолетов Сикорского только MH-60R и MH-60S Seahawk имеют лопасти несущего винта из металлического (титанового) лонжерона.

Подполковник Билли Джексон (Billy Jackson), руководитель программы модернизации UH-60M Black Hawk, сказал: "Мы поставили в войска 384 вертолета UH-60М, Сикорский поставил около 400 вертолетов UH-60М, и они находятся в эксплуатации со второй половины 2008-го года. Некоторые из них уже вернулись из своего второго развертывания в Афганистане".

Армия использует более широкие композитные лопасти несущего винта, также известные как лопасти с широкой хордой благодаря их улучшенным весовым характеристикам. Экономия в весе составила 204 килограмма. "Это было основной причиной создания композитных лопастей, а не создание их просто потому, что они композитные. Главное - это их летно-технические характеристики", - объяснил Джексон.

"В течение некоторого времени они работают на Сикорском S-92 в несколько иной конфигурации, благодаря этому у нас уже был хороший объем данных. В решении перейти к полностью композитным лопастям не было много риска", - продолжил он. Фирма Сикорский применила полностью композитные лонжероны и обшивку лопастей несущего винта на своих вертолетах S-92 в конце 1990-х годов.

Летно-технические характеристики вертолетов UH-60M были проверены при двух развертываниях в Афганистане, и Джексон настаивает, что они показали хорошие результаты: "В настоящее время мы заняты сбором данных о надежности лопастей. У нас были поврежденные лопасти, а также отремонтированные и восстановленные. Что касается вопроса, обнаружили ли мы трещины в лопастях или непредвиденные сбои по причине новых композитных конструкций, ответ- нет". Основываясь на нынешнем успехе, следующим шагом могут стать полностью композитные цельноповоротные стабилизаторы.

Планы по уменьшению веса
В дополнение к тому что пояснил Бейли, что лопасти были первым шагом, а композитный фюзеляж являются следующим, Джексон сообщил: "Мы ищем другие области применения композитных материалов. Сейчас мы разрабатываем полностью композитный цельноповоротный стабилизатор, который обеспечит значительное снижение веса".

Армия приступила к разработке композитной хвостовой балки вертолета Black Hawk с целью снижения её веса, однако в настоящее время особый акцент делается на создании полностью композитного цельноповоротного стабилизатора, включающего внутренние компоненты. "Мы намерены сделать полностью композитный цельноповоротный стабилизатор для значительного уменьшения веса в области вертолета, имеющей основное воздействие на центр тяжести вертолета".

Джексон заявил, что, как уже отмечалось в предложении фирмы Сикорский, решение о создании полностью композитного цельноповоротного стабилизатора не было обусловлено стремлением улучшить его летно-технические характеристики, а лишь ставило цель сократить расходы на его производство.

"Мы ещё должны выполнить некоторые испытания, баллистические и другие виды летно-технических испытаний с целью убедиться, что новое изделие будет настолько же хорошо или даже лучше оригинального, а затем принять финансовое решение о том, как мы хотим внедрить его на существующую платформу, внедрить его в перспективное производство или пополнить им список существующих запасных частей".

Компанией, поставляющей композитную хвостовую балку, но не лопасти хвостовых винтов, является BLR Aerospace из штата Вашингтон. Вице-президент компании по сбыту и маркетингу Дэйв Мароне (Dave Marone) подтвердил изданию Defence Helicopter, что его компания производит полностью композитную хвостовую балку по заказу одного из военных заказчиков, но не согласился предоставить дополнительную информацию.

Планы на будущее
Ещё одним вертолетом, которому придется ждать до 2016-го года, чтобы получить композитные лопасти несущего винта из углеродного волокна, является американский армейский CH-47 Chinook. "Новые композитные лопасти называются Advanced Chinook Rotor Blade (ACRB). Программа успешно завершила стадию критического анализа проекта (critical design review, CDR) в январе 2012 года", - сообщил руководитель проекта модернизации CH-47 Chinook подполковник армии США Джо Хочерл (Joe Hoecherl). Летные и баллистические испытания были завершены в 2011-ом году.

Программа ACRB принесет изменения в форме лопастей и их летно-технических характеристиках, не затронув их крепления. "Эти лопасти будут взаимозаменяемыми на всех вертолетах Chinook", - сказал Хочерл. Были завершены масштабные тестирования в аэродинамической трубе, которые продемонстрировали, что новые лопасти способны обеспечить до 900 кг дополнительной вертикальной тяги, что позволит вертолету зависать с полной загрузкой на высоте в 1200 метров при температуре воздуха в 35° C.

Лопасти ACRB в аэродинамической трубе.

Предсерийное производство лопастей запланировано на апрель 2014-го года, летные испытания на третий квартал 2015-го года, а серийное производство на 2016-ый год. В феврале нынешнего года было объявлено, что Boeing разрабатывает композитные лопасти с повышенным сроком службы и требующие значительно меньше времени, необходимого для устранения несоконусности лопастей несущего винта и их балансировки. Эти лопасти также могут быть установлены на модели вертолетов CH-47D, однако эти вертолеты запланировано списать уже к 2019-му году.

Интеллектуальные композиты
Скорее всего, к 2019-му году лопасти из углеродного волокна потребуют более сложного подхода для достижения дальнейшего улучшения летно-технических характеристик. Промышленность сходится во мнении, что лопасти не будут состоять только из углеродного волокна. Кагнатель считает, что в них будут встроены датчики, способные следить за состоянием лопастей и позволяющие более точно прогнозировать срок их службы.

"Тенденции всё более указывают на встроенные системы, элементы подогрева передней кромки лопасти, а также датчики напряжения и деформации лопастей. В будущем такие датчики будут составной частью лопастей, нежели их внешними элементами", - сказал он.

Тем не менее, на лопасти также могут быть установлены движущиеся части. Директор по исследованиям и профессор инженерного факультета Бристольского Университета Пол Уивер (Paul Weaver) как раз работает над таким проектом для правительства Великобритании. Проект называется Интеллектуальные Реагирующие Композитные Структуры (Intelligent Responsive Composite Structures, IRCS). "Национальное агентство инноваций финансировало проект, завершившийся два года назад изменением формы закрылков", - сказал он изданию DH.

Национальное агентство инноваций принадлежит британскому правительству, оно занимается финансированием исследований, разработок и их коммерциализацией. В рамках программы IRCS было обнаружено, что щиткообразное устройство на задней кромке лопасти может быть использовано для повышения летно-технических характеристик при переходе от зависания к горизонтальному полету.

Фирма Сикорский также занята исследованиями в этой области. Она разрабатывает активные технологии лопастей несущего винта совместно с Министерством обороны США. На сегодняшний день не планируется установка этих устройств на существующие лопасти.

Американские военные не являются первопроходцами в развертывании углеволоконных лопастей, но тот факт, что они активно оснащают свой вертолетный парк новыми лопастями, подтверждает, что новые композиты активно внедряются в жизнь. Для Бейли важность углеродного волокна является очевидной: "Эти технологии будут стимулировать развитие будущих армейских вертолетов, будь то новые Apache, Black Hawk или Chinook".