В настоящее время на ряде легких и средних одновинтовых вертолетов в качестве альтернативы обычному рулевому винту для обеспечения путевой балансировки и управления по курсу применяется фенестрон. Фенестрон представляет собой систему, состоящую из многолопастного винта, относительно небольшого размера, и корпуса с цилиндрическим каналом, в котором установлен винт. Как правило, фенестрон используется вместе с килем. Киль устанавливается сверху на корпусе фенестрона и служит для его разгрузки в горизонтальном полете, а также обеспечивает путевую устойчивость вертолета.
Интерес к фенестрону вызван стремлением преодолеть ряд недостатков, которыми обладает обычный рулевой винт, и прежде всего эксплуатационных. Основными преимуществами использования фенестрона с килем в качестве рулевого устройства являются:
1) Повышение безопасности полета вертолета на малых высотах благодаря корпусу фенестрона, который защищает винт от возможных ударов о различные препятствия вблизи земли.
2) Увеличение живучести вертолета благодаря использованию большого киля, который в горизонтальном полете на крейсерском режиме практически полностью разгружает фенестрон.
3) Малый уровень динамических напряжений в лопастях винта фенестрона даже на больших скоростях полета, что благоприятно сказывается на увеличении его ресурса.
Когда вертолет с вращающимися несущим и рулевым винтами находится на земле, незащищенный рулевой винт представляет большую опасность для находящихся вблизи вертолета людей, особенно в экстремальных ситуациях, когда внимание человека ослаблено. При низком расположении рулевого винта это обстоятельство приводит в ряде случаев к травмам, иногда со смертельным исходом. Поскольку винт фенестрона защищен корпусом, то попадание в него человека практически исключено.
Статистика использования вертолетов, в частности проведенная фирмой «Аэроспасьяль» (Франция) [43], показывает, что 15% всех аварий вертолетов происходит из-за поломки рулевого винта при его столкновении с препятствиями у земли (деревья, здания, линии электропередачи и т. п.) или попадания в него посторонних предметов. Использование фенестрона с защитой винта корпусом значительно снижает в этих случаях возможность его поломки. Согласно данным, представленным фирмой «Аэроспасьяль», при эксплуатации 1200 вертолетов Газель и 400 вертолетов Дофен не произошло ни одной серьезной аварии вертолетов из-за ударов рулевого устройства этих вертолетов о препятствия вблизи земли.
Использование фенестрона вместо обычного рулевого винта существенно увеличивает живучесть вертолета боевого применения, т.к. в связи с малыми размерами винта фенестрона примерно в два раза уменьшается вероятность попадания в винт снаряда малого калибра. Но даже в случае попадания уменьшается вероятность фатального исхода, поскольку наличие на фенестроне большого киля обеспечивает возможность возврата вертолета в точку базирования и увеличивает его выживаемость.
Следует также отметить, что обычный рулевой винт в горизонтальном полете вертолета работает в сложных условиях. Помимо внешнего потока на него воздействует спутная струя и вихри от несущего винта и фюзеляжа, что приводит к появлению большого уровня знакопеременных нагрузок и в ряде случаев к динамической неустойчивости. Установка винта в канале фенестрона дает более равномерное распределение поля скоростей по диску винта, что улучшает условия его работы. Кроме того установка в канале значительно разгружает винт, поскольку существенная доля подъемной силы фенестрона создается профилированной входной частью канала (коллектором). Все это ведет к уменьшению переменных напряжений в конструкции винта фенестрона и увеличивает срок службы рулевого устройства вертолета.
Процесс проектирования фенестрона включает в себя выбор параметров, определяющих геометрию профилированного канала, в который устанавливается винт, а также параметров самого винта. При заданных относительных размерах канала фенестрона и его винта основным проектным параметром является удельная нагрузка на площадь фенестрона (активную площадь диска винта и корпуса фенестрона, создающих подъемную силу). В чисто методических целях иногда удобно всю подъемную силу фенестрона относить к площади активного диска винта. От этого параметра зависит уровень энергетических затрат, идущих на привод винта фенестрона, а также масса конструкции всего рулевого устройства, включающего корпус фенестрона, винт и киль. Энергетические затраты на привод винта фенестрона и масса конструкции во многом определяют эффективность его применения на вертолете. Оценке этой эффективности и выбору параметров фенестрона с килем с учетом различных условий работы данного рулевого устройства вертолета посвящена настоящая диссертационная работа.
Цель исследований данной диссертационной работы заключается в создании методик расчета и выработке рекомендаций по выбору проектных параметров фенестрона и киля на основе комплексного подхода, учитывающего влияние этих параметров на энергетические, массовые, летно-технические характеристики вертолета и на показатель функциональной эффективности применения вертолета в целом.
Актуальность диссертационной работы обусловлена возрастанием числа строящихся и проектируемых одновинтовых вертолетов, использующих фенестрон в качестве альтернативы обычному рулевому винту, и необходимостью при этом решать задачу выбора параметров фенестрона, обеспечивающих вертолету наилучшие энергетические и летно-технические характеристики.
Новизна научных исследований диссертационной работы заключается в комплексном подходе к выбору параметров фенестрона на основе анализа их влияния на показатели энергетического совершенства, массовые и летно-технические характеристики вертолета с данным рулевым устройством. При этом были решены следующие задачи:
1. На основе методов аэродинамического расчета системы «винт в кольце», созданных на кафедре «Проектирование вертолетов» МАИ, разработаны алгоритмы и программы расчета аэродинамических характеристик фенестрона с килем на режимах висения и горизонтального полета.
2. Проведен энергетический анализ данного рулевого устройства на указанных режимах. В результате анализа получены рекомендации по выбору: относительных размеров кольцевого канала (7Котносительный радиус скругления входной кромки коллектора, о. дугол раствора диффузора) и параметров винта (авфзаполнение винта и геометрия лопастей). Также получены рекомендации по выбору оптимальной величины разгрузки фенестрона килем на крейсерском режиме полета вертолета.
3. Разработана методика весового расчета и определения массы груза, перевозимого вертолетом с фенестроном и килем.
4. На примере типовой транспортной операции продемонстрирован процесс выбора параметров фенестрона с использованием показателя функциональной эффективности: массы груза, перевозимого вертолетом на заданную дальность. В результате получены рекомендации по выбору основных проектных параметров фенестрона (относительного диаметра винта фенестрона Ввф / Ди и относительной длины диффузора фенестрона Нд / Явф) для вертолетов различной весовой категории.
5. Проведено сравнение характеристик вертолета с фенестроном и вертолета с обычным рулевым винтом.
Достоверность научных выводов и результатов диссертационной работы определяется тем, что в основу разработок методик, алгоритмов и программ расчетов характеристик фенестрона были положены методы расчета аэродинамических характеристик системы «винт в кольце», подтвержденные экспериментами. Имеет место хорошее совпадение результатов расчетов характеристик фенестрона с результатами модельных экспериментов с системой «винт в кольце» как на режиме висения, так и на режимах работы фенестрона с горизонтальной скоростью (продувки модели с системой «винт в кольце в аэродинамической трубе МАИ [26]). Достоверность научных выводов диссертации подтверждается тем, что полученные рекомендации по выбору проектных параметров фенестрона находятся в соответствии с параметрами реальных вертолетов.
Содержание диссертационный работы. Диссертационная работа состоит из четырех разделов.
В первом разделе дается анализ исследований в области проектирования рулевого устройства вертолета типа фенестрон. Рассматриваются известные прототипы вертолетов с фенестроном, используемые компоновки фенестрона и проектные параметры фенестрона. Приводится обзор работ, посвященных проектированию и аэродинамическому расчету фенестрона.
Во втором разделе дается постановка задачи диссертационной работы, которая заключается в выборе проектных параметров и оптимизации аэродинамической компоновки фенестрона с килем на основе энергетического и весового анализа данного рулевого устройства.
В третьем разделе представлен энергетический анализ фенестрона с килем на режиме висения и в горизонтальном полете. Даются методики и алгоритмы расчета энергетических характеристик фенестрона с килем. Проводится сопоставление используемых методик расчета с данными экспериментов, проводимых на моделях фенестрона. В этом же разделе обсуждаются результаты энергетического анализа фенестрона на режиме висения и фенестрона с килем на режиме горизонтального полета. В итоге даются рекомендации по выбору параметров фенестрона и киля, определяющих аэродинамическую компоновку канала и винта фенестрона, а также разгрузку фенестрона килем на крейсерской скорости полета вертолета.
В четвертом разделе представлен выбор проектных параметров фенестрона: относительного диаметра винта фенестрона Ввф / Бнв и относительной длины диффузора Нд= Нд/ Явф. Выбор этих параметров проводится на примере типовой транспортной операции по критерию функциональной эффективности вертолета. В качестве критерия функциональной эффективности принята величина массы груза, перевозимого вертолетом на заданную дальность. В этом разделе также дается сравнение характеристик вертолета с фенестроном и килем и вертолета с обычным рулевым винтом.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в возможности использования ее результатов в конструкторских бюро вертолетостроения на этапах проектирования вертолетов с фенестроном, а также для исследований эффективности использования фенестрона на вертолетах различных весовых категорий. Материалы диссертации могут быть также рекомендованы для использования в учебном процессе при обучении студентов вертолетной специальности.
Апробация диссертационной работы проведена в виде представления полученных научных результатов на конференциях, в статьях и научных отчетах.
1- Энергетический анализ фенестрона, Доклад на третьем международном форуме российского вертолетного общества, 1998 г.
2- Энергетический анализ фенестрона на режиме висения, Статья на второй иранской конференции по авиации, 1998 г.
3- Энергетический анализ фенестрона с килем, Доклад на вторых научных чтениях по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского, 1999 г.
4- Выбор параметров рулевого устройства типа «фенестрон». — Седьмые научные чтения, посвященные памяти академика Б.Н. ЮРЬЕВА (к 110-летию со дня рождения), М., 10−12 ноября 1999.
Основные результаты и выводы.
1. Разработана методика выбора оптимальных параметров рулевого устройства вертолета типа «фенестрон» на основе комплексного энергетического анализа фенестрона и киля на характерных режимах работы вертолета и весового анализа вертолета с данным рулевым устройством.
2. На основе энергетического анализа фенестрона на режиме висения разработаны рекомендации по выбору параметров, определяющих геометрическую компоновку канала фенестрона и основных параметров винта.
Установлено, что оптимальная величина относительного радиуса скругления входной кромки коллектора гк находится в диапазоне 0.1.0.13. Величину угла раствора диффузора следует принимать ад = 12°, величина заполнения винта фенестрона находится в диапазоне значений авф = 0.4.0.5 .
Рекомендуется использовать прямоугольные лопасти с умеренной круткой, что обеспечивает более высокую относительную тягу кольца фенестрона при тех же энергетических затратах, что и для трапециевидной лопасти.
3. На основе энергетического анализа фенестрона и киля на режиме горизонтального полета определена рекомендуемая степень разгрузки фенестрона килем на крейсерском режиме полета вертолета. Установлено, что для получения минимальных затрат суммарной мощности вертолета с фенестроном, тяга на фенестроне должна составлять 20.30% от общей боковой силы рулевого устройства, необходимой для обеспечения путевой балансировки вертолета.
4. На основе анализа энергетических и весовых характеристик вертолета с фенестроном на примере выполнения вертолетом транспортной операции даны рекомендации по выбору основных проектных параметров фенестрона. Оптимальное значение относительной длины диффузора рекомендуется брать в диапазоне Нд = 0.5-•-0.7. Оптимальное значение относительного диаметра винта фенестрона Ввф / Вт зависит от нагрузки на площадь, ометаемой лопастями несущего винта, и от взлетной массы вертолета. С увеличением взлетной массы, относительный диаметр винта фенестрона должен увеличиваться (в соответствии с графиком 4.31). Так например, для взлетной массы вертолета 2500 кг оптимальное значение Овф / Виа =0.08, а при взлетной массе вертолета 10 000 Ввф / Вт =0.12.
5. В результате сравнения транспортной эффективности, определяемой массой перевозимого груза вертолетом с фенестроном и вертолетом с обычным рулевым винтом, установлено, что при небольших взлетных массах до 2000. 2500 кг установка фенестрона практически не ухудшает транспортную эффективность вертолета. При этом вертолет с фенестроном обладает большей безопасностью эксплуатации, увеличенным ресурсом рулевого устройства и приобретает ряд других эксплуатационных преимуществ. С ростом взлетной массы показатели функциональной эффективности вертолета с фенестроном по сравнению с вертолетом с обычным рулевым винтом имеют тенденцию к ухудшению (см. Раздел 4.5). В частности, для вертолета с фенестроном с взлетной массой 10 000 кг проигрыш в массе перевозимого груза составляет 12. 18% от массы груза перевозимого вертолетом с рулевым винтом, на больших дальностях полета 600.800 км.
