Вертолёт

Вертолет как объект воздухоплавания
Вертолет — летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха, использующий для
полета аэродинамическую подъемную силу, которая создается одним или
несколькими несущими винтами, приводимыми во вращение силовой
установкой.
Решаемые задачи
- выполняет взлет по вертикали или наклонной траектории без
предварительного разбега по земле;
- неподвижно висит над заданной точкой и разворачивается в
любую сторону на висении;
- перемещается в любом направлении — вперед, вбок, назад;
- вертикально снижается и выполняет посадку без пробега по
земле;
- планирует и осуществляет безопасную посадку с выключенными
двигателями на режиме самовращения несущего винта.
По числу несущих винтов вертолеты классифицируют на одно-, двух- и многовинтовые.
При управлении вертолетом необходимо учитывать, что:
- вертолет, как правило, неустойчив в пространственном движении;
- одновинтовые вертолеты обладают существенной асимметрией
характеристик из-за наличия винта;
- угловые движения вертолета оказывают существенное влияние на
динамику работы несущего винта;
- характеристики устойчивости и управляемости вертолета сильно
изменяются при вариации режима полета, а нередко становятся
обратными по знаку;
- управление полетом вертолета в значительной степени зависит от
динамических свойств несущего винта.
Компоновочная схема вертолетов
Наибольшее распространение получили одновинтовые вертолеты с рулевым
винтом, основными элементами которых являются
- несущий винт НВ
хвостовой (рулевой) винт ХВ
фюзеляж с хвостовой балкой
Дополнительными элементами конструктивной схемы вертолета являются: крыло,
киль, стабилизатор .
Несущий
винт
(НВ)
вертолета
предназначен для создания:
- подъемной силы (на самолете эту
функцию выполняет крыло);
- движущей (пропульсивной) силы (на
самолете ее создают реактивные двигатели
или воздушные винты);
- управляющих моментов (на самолете
они
создаются
отклонением
аэродинамических рулевых поверхностей ХВ, стабилизатором, элероном, элевоном,
интерцептором, рулем направления или
струйными рулями);
Подъемная
сила,
управляющие
моменты и движущие силы зависят от
величины
тяги
НВ
(Тнв)
и
ее
пространственной ориентации.
Несущий винт вертолета состоит из втулки и лопастей, которые крепятся к втулке
посредством шарниров: горизонтального, вертикального и осевого (ГШ, ВШ, ОШ).
В общем случае лопасти НВ совершают сложное движение:
- вращаются вокруг оси НВ;
- перемещаются вместе с вертолетом в пространстве;
- изменяют свое угловое положение, поворачиваясь в указанных шарнирах.
Хвостовой винт (ХВ) предназначен для компенсации реактивного момента НВ и может
использоваться для управления движением рыскания вертолета.
3. Управление вертолетом с помощью АПК: конструкция автомата перекоса.
Сила тяги НВ играет решающую роль в управлении полетом вертолета.
Тяга НВ зависит от тяги лопастей. При вращении винта и поступательном движении вертолета
на каждую лопасть действует аэродинамическая сила Рл, которую можно представить в виде двух
составляющих: подъемной силы и силы лобового сопротивления. Тяга лопасти Тл - это проекция
полной аэродинамической силы Рл на плоскость, проходящую через продольную ось лопасти и
перпендикулярную плоскости вращения НВ. Тяга лопасти зависит от установочного угла (шага)
лопасти.
Под действием аэродинамических сил лопасть поворачивается вокруг оси ГШ, совершая
маховые движения (β), поворачивается вокруг оси вертикального шарнира ВШ, совершая
качающиеся движения в плоскости вращения лопастей (ξ) и поворачивается вокруг оси осевого
шарнира ОШ, изменяя установочный угол лопасти (θ). В каждый конкретный момент угловые
параметры лопасти зависят от положения лопасти в азимуте.
На установившемся режиме работы несущего винта движение лопасти под
действием указанных сил является периодическим по азимуту (ряд фурье)
β=β0+β1сcosψл + β1s sinψл
ξ = ξ 0+ ξ 1сcosψл + ξ 1s sinψл
θ=θ0+θ1сcosψл + θ1s sinψл
Угол конусности винта β0,
Угол θ0 – общий шаг лопастей,
углы θ1с и θ1s определяют циклический шаг лопастей.
Установочный угол φл определяется как угол
между аэродинамической хордой профиля
лопасти и плоскостью вращения НВ.
При отклонении ручки управления
вертолетом
вперед
(назад)
перемещается тяга (13), что вызывает
поворот внешнего и внутреннего колец
кардана вокруг оси внешнего кольца. При
этом
установочный
угол
лопасти
возрастает, когда она находится сзади по
отношению к продольной оси АПК и
наоборот. Следовательно, при вращении
лопасти
происходит
циклическое
изменение шага и тяги лопасти в
зависимости
от
ее
азимутального
положения. Это приводит к изменению
пространственного положения тяги НВ.
При отклонении ручки управления
вертолетом
вправо
или
влево
перемешается
тяга
(11),
которая
поворачивает внутреннее кольцо вокруг
его оси, что вызывает увеличение
установочных
углов
лопастей,
находящихся слева по отношению к
поперечной оси АПК и наоборот. В
результате
наблюдается
изменение
пространственной ориентации тяги НВ.
Полная модель движения вертолета
dmVx
X
dt
;
;
dKx
 Mx
dt
dmVy
Y
dt
dKy
 My
dt
dmVz
Z
dt
dKz
 Mz
dt
(2.7)
(2.8)
- модель продольного движения, включающую поступательное перемещение ЦМ вертолета вдоль
осей ОХ и ОУ некоторой системы координат (земной, скоростной и т.д.), и вращательное движение
вертолета относительно связанной оси 0Z;
- модель бокового движения, включающую перемещение ЦМ вертолета вдоль оси 0Z некоторой
системы координат (земной, скоростной и т.д.) и вращательного движения вертолета вокруг осей
ОХ, и ОУ, связанной системы координат.
При отключенной САУ продольное движение слабо зависит от бокового. Боковое же
движение зависит от продольного в большей степени, причем неустойчивость продольного
движения может явиться причиной неустойчивости бокового.
При включении автопилота, обеспечивающего устойчивость вертолета, продольное и
боковое движения можно с достаточной для практических целей точностью считать
независимыми друг от друга, т.е. производные от сил и моментов, определяющих одно движение
по параметрам другого движения, можно считать равными нулю.
•Продольное движение: уравнения движения, деление его на
короткопериодическое и длиннопериодическое
•Короткопериодическое продольное движение, это продольное маятниковое движение
вдоль оси ОХ и вращательное движение вертолета вокруг оси ОZ.
•Длиннопериодическое продольное движение, это поступательное движение вертолета
вдоль вертикальной оси ОY.

m V x  X V x , ,  z ,  в 
 z  z  M z V z ,  z ,  в 
Маятниковое движение

 V x  a Vxx V x  a x   a x z  z  a x в  в

  z  amzx  z  amVxz Vx  am вz  в
Вертикальное движение вертолета,
mV y  Y V y , нв ,  o 


 нв  нв  M yнв V y ,  нв ,  o ,  сг 
V y  a y y V y  a y нв нв  ay o  o
V

 нв
о
 сг
Vу
  нв  a нв
 нв  a нв
V у  a нв
 о  а нв
 сг
На современных вертолетах с целью упрощения пилотирования вертолетом система управления
общим шагом НВ и подача топлива к двигателю связанны т.о. что при изменении общего шага НВ
корректируется подача топлива к двигателю, что позволяет изменять мощность двигателя с
целью стабилизации скорости вращения винта. При этом структурная схема модели продольного
движения упрощается , т.к. отсутствует приращение скорости вращения НВ т.е. ΔΩнВ=0,
Боковое движение: уравнения движения: структурная схема
модели бокового движения, изолированное движение по
крену, плоский разворот
- перемещение ЦМ вертолета вдоль оси 0Z некоторой СК
- вращательного движения вертолета вокруг осей ОХ, и ОУ, связанной
системы координат.
mVz  Z Vz ,  x ,  y ,  ,  рв ,  э 

 х  х  M x V z ,  x ,  y ,  рв ,  э 
 y  y  M y V z ,  x ,  y ,  рв ,  э 



 Vz  aVzz Vz  a z x  x  a z y  y  a z   a z рв  рв  a z э  э



  x  amxx  x  amxy  y  amVzx Vz  am эx  э  аmрвx  рв



  у  amxу  x  am уy  y  a mVzу Vz  a m эу  э  аmрву  рв

    х

    у
1. Боковое движение, как и продольное колебательно неустойчиво. Это
значит, что при отклонении какого - либо параметра вертолета от
значения, соответствующего опорному режиму, движение по скорости ΔVz
и углам крена Δγ и рысканию Δψ представляют собой расходящиеся
колебательные процессы.
2. По мере роста скорости полета вертолета степень неустойчивости
уменьшается, а при определенной скорости свободное боковое движение
вертолета становится устойчивым.
При этом боковое движение можно рассматривать как изолированные
движения по рысканию и изолированное движение по крену (в полной
аналогии движению самолета)
Боковое движение вертолета на больших скоростях поступательного движения
•
Изолированное движение по рысканию ( плоский разворот).
•
Условие

=0
Условие =0:
Изолированное движение вертолета по крену.
(2.33)
Боковое движение вертолета на малых скоростях поступательного движения .
два движения, слабо зависящие друг от друга:
1. Боковое маятниковое движение, включающее поступательное перемещение ЦМ вдоль оси
OZ и вращательное движение вертолета вокруг оси ОХ;
2. Вращательное движение вертолета по рысканию вокруг оси ОY.
Модель маятникового движения вертолета.

m V z  Z V z ,  x ,  ,  э 
 х  х  M x V z ,  x ,  э 

 Vz  a Vzz Vz  a z x  x  a z   a z э  э

x
э
  x  amx  x  a Vz  amx  э
Vz
mx

    х
по своей структуре полностью совпадает с продольным маятниковым движением
Модель изолированного движения по рысканию
 y  y  M y V z ,  y ,  рв


y
 рв
  у  amу  y  аmу  рв

    у
изолированное движение по рысканию связано с управляющим воздействием
( РВ) апериодическим звеном