Вертолет, 2000 № 03

Иркутский АВТОЖИР

Общественное конструкторское бюро легкой авиации было образовано на Иркутском авиационном производственном объединении (ИАПО) в 1996 г. Его первой самостоятельной разработкой стал трехместный автожир, предназначенный для решения задач, характерных для легких вертолетов, которые, как известно, имеют небольшие эксплуатационные затраты. Высокие потребительские свойства автожира обеспечиваются оптимальным сочетанием удельных параметров, рациональным выбором конструктивно-силовой схемы, удачными компоновочными решениями в сочетании с современным дизайном. Концепция автожира предусматривает его применение в условиях безаэродромного базирования и возможность установки на нем дополнительного оборудования для расширения круга решаемых задач. При реализации этого проекта авторы опирались на результаты исследовательских работ в области авторотирующих несущих систем, выполненных ведущими специалистами по аэродинамике, аэроупругости и прочности Иркутского военного авиационного инженерного института.

Стапельная сборка автожира

Автожир, безусловно, «одной крови» с вертолетом, но, как утверждают иркутские авиастроители, он гораздо проще, дешевле в изготовлении и эксплуатации, а главное, безопаснее вертолета.

Безопасность автожира обусловлена самим принципом работы этого аппарата: несущий винт, подобный вертолетному, вращается не от двигателя, а от встречного потока воздуха. Поэтому даже при отказе двигателя, обеспечивающего поступательное движение аппарата, потеря скорости автожиру практически ничем не грозит. Он просто войдет в режим устойчивого парашютирующего спуска и приземлится на любую площадку самых ограниченных размеров, а затем поднимется с нее без разбега, совершив так называемый «прыжковый взлет» («подпрыгнет» вертикально вверх на несколько метров).

Минимум конструктивных элементов делает аппарат надежным и снижает вероятность возникновения неисправностей. Хорошие демпфирующие свойства ротора упрощают управление аппаратом, не требуют мгновенной реакции летчика. Отклонения автожира от балансировочного положения из-за атмосферной турбулентности или по другим причинам происходят медленно и плавно. Летающий на очень малых скоростях, автожир имеет небольшой запас кинетической энергии, и, соответственно, меньшая энергия может быть преобразована в потенциальную энергию деформации. Таким простым образом обеспечивается прочность несущих элементов конструкции, а значит, и ее безопасность.

На ИАПО создан и испытан прототип будущего автожира А-002, на котором опробованы принципиальные конструкторские решения. Полученные положительные результаты позволяют с уверенностью говорить о правильности пути, выбранного проектировщиками.

Автожир характеризуется высоким уровнем безопасности, имеет эффективное и простое управление в большом диапазоне скоростей горизонтального полета (40210 км/ч), высокую маневренность. Дальность полета, выполняемого аппаратом на высоте до 3000 м, может достигать 1000 км. Он не требует специально подготовленных взлетно-посадочных полос.

Закрытая обогреваемая кабина, двойное (спаренное) управление, малые габариты, возможность хранения в обычном автомобильном гараже и транспортировки легковым автомобилем, невысокие эксплуатационные расходы автожира предоставляют возможность эффективно решать самый широкий круг задач: аэрофотосъемку; учет природных запасов ценных пород древесины и животных;воздушный контроль за состоянием нефте- и газопроводов, линий электропередач, лесных и сельскохозяйственных угодий, атмосферы и водоемов. Автожиры могут использоваться для патрулирования автотрасс, выполнения административно-связных функций, первоначального обучения пилотов, воздушного туризма, снабжения геологических партий, старательских артелей, пограничных застав.

В условиях бездорожья автожир – незаменимое транспортное средство при выполнении поисково-спасательных работ, оказании срочной медицинской и технической помощи, проведении ледовой, метео- и рыборазведки.

Автожир может применяться для перевозки двух пассажиров или грузов весом до 250 кг. В зависимости от требований заказчика возможна установка на аппарат колесного, лыжного или поплавкового шасси и специального навесного оборудования.

Простота пилотирования и технического обслуживания, возможность применения автомобильного бензина А-95, Б-91/115 (в зависимости от типа двигателя), низкая суммарная стоимость эксплуатации ($ 25-30 тыс. в год при налете 250 часов), свойства конструкции автожира, позволяющие производить безопасную посадку при отказе двигателя, простая пилотажно-навигационная система, использование надежной радиостанции авиационного диапазона с навигационной спутниковой системой GPS фирмы ICOM (модели А22 или А4 с отдельным приемопередатчиком GPS «Магеллан») сделают автожир А-002 незаменимым помощником в любом регионе России и за ее пределами. К тому же, имея характеристики, схожие с характеристиками легкого вертолета (за исключением режима висения в безветренную погоду), автожир в 3-4 раза дешевле.

А-002 спроектирован с учетом требований норм летной годности АП-27 (FAR-27), что позволит получить сертификат типа АР МАК. Временная сертификация первых автожиров будет проводиться комиссией инженерно-авиационной службы Восточно-Сибирского межрегионального территориального управления Федеральной службы Воздушного транспорта России.

Обучение пилотов и авиатехников планируется проводить в Иркутском спортивно-техническом клубе «РОСТО».

Серийное производство автожиров А-002 начнется в конце 2001 г., но уже сейчас на аппарат есть потенциальные заказчики.

Заводчане понимают, что сегодня в стране дефицит именно легких и простых в эксплуатации летательных аппаратов. Именно поэтому Иркутское авиационное производственное объединение уделяет пристальное внимание проблеме «малой авиации», несмотря на серьезную загруженность работой по выполнению международных контрактов на поставку в Индию боевых самолетов Су-30МК и по запуску в серийное производство уникального самолета-амфибии Бе-200.

Автожир А-002 устроен довольно просто: двухлопастный несущий винт (НВ) на пилоне, силовая установка с толкающим воздушным винтом, оперение, состоящее из киля с рулем направления, и управляемый стабилизатор (рис. 1). В конструкцию заложен модульный принцип, а конструктивно-технологические решения допускают возможность глубоких модификаций аппарата.

Полеты на прототипе

Испытание опытного образца

Область эксплуатационных режимов полета автожира существенно расширена благодаря особенностям втулки НВ, позволяющей оптимизировать режимы авторотации, реализовать «прыжковый взлет» и посадку с «подрывом» общего шага НВ. Диапазон эксплуатационных скоростей полета составляет 40 (ц=0,07)- 220 (ц=0,30) км/ч.

В настоящее время на Иркутском авиационном производственном объединении идет сборка первого экземпляра опытной машины.

Результаты проведенных работ позволили сделать некоторые выводы, касающиеся особенностей работы авторотирующего несущего винта.

Физические принципы работы НВ автожира позволяют реализовать широкий диапазон эксплуатационных режимов, поэтому большое значение придается работам, направленным на увеличение максимальной скорости полета и возможности полета на больших углах атаки в сечениях лопасти. При этом приходится сталкиваться с определенными трудностями, связанными с расширением области срывного обтекания ротора, увеличением вертикальных вибраций от второй гармоники аэродинамических сил на больших скоростях, необходимостью обеспечения достаточного зазора (между лопастями несущего и толкающего воздушного винтов) и с рядом других неблагоприятных явлений.

Как известно, авторотирующий НВ работает на положительных углах атаки (а> 0). При этом распределение местных углов атаки лопасти по диску НВ автожира существенно отличается от распределения при работе НВ вертолета. Рассмотрим природу этого явления.

Область больших углов атаки ar HB автожира в азимутах отступающей лопасти находится ближе к центру диска, в корневых, не несущих сечениях. При увеличении скорости полета эта область расширяется, а значения аг достигают срывных значений. Графики изолиний местных углов атаки (рис.2, V = 210 км/ч) позволяют определить границы областей, занятых срывным обтеканием, для различных значений общего шага лопастей НВ.

На несущем винте вертолета срывные явления возникают в концевых (наиболее нагруженных) сечениях лопасти, ограничивая максимальную скорость полета. На больших скоростях полета это приводит к увеличению уровня переменной составляющей напряжений в лонжероне лопасти, росту вибраций, тряске, ухудшению управляемости.

Таким образом, можно утверждать, что потенциально автожир способен достигать более высоких по сравнению с вертолетом скоростей полета.

Рис. 1. Общий вид автожира

Для численной оценки влияния области срыва на эксплуатационные свойства винтокрылого летательного аппарата предложен критерий, учитывающий относительную площадь диска, занятую срывом, и положение этой области по диску:

К_ср =А_срY_ср², где A_cp=A_cp/S – относительная площадь диска НВ, занятая срывом;

А_ср – реальная площадь зоны срыва;

S – площадь диска несущего винта;

Y_ср= Y_ср/R – относительный радиус области срыва;

Y_ср – положение центра тяжести площади фигуры, очерчивающей область срыва;

R – радиус винта.

Ротор автожира – самонастраивающаяся система, что объясняет зависимость изменения частоты вращения НВ от режима полета (рис. 3). Поэтому обеспечить отсутствие явлений резонансов в элементах конструкции НВ автожира более сложно по сравнению с вертолетным НВ, где диапазон изменения частоты вращения гораздо уже.

Как известно, на больших скоростях полета возрастает переменная составляющая воздушной нагрузки, действующей на лопасть. На двухлопастном НВ вторая гармоника воздушной нагрузки имеет значительную величину, достигающую на максимальной скорости полета 20% от величины первой гармоники. Неуравновешенные вертикальные силы с обеих лопастей суммируются на втулке и вызывают вертикальные вибрации автожира с частотой 2n. Амплитудное значение виброперемещений быстро возрастает с увеличением скорости (рис. 4).

Один из критичных параметров, определяющих безопасность эксплуатации автожиров, – зазор (между лопастями несущего и толкающего воздушного винтов. При увеличении скорости возрастают коэффициенты махового движения лопастей и изменяется балансировочное положение автожира, зависящее от характера движения аппарата, положения центра тяжести, режима работы силовой установки и угла установки стабилизатора. Управляемый стабилизатор расширяет диапазон эксплуатационных центровок (0-300 мм от оси НВ). Балансировочные положения автожира рассчитаны с учетом обдувки стабилизатора струей толкающего винта. На рис. 5 приведены графики, иллюстрирующие изменение зазора по скорости для различных режимов полета, центровок автожира и положений стабилизатора.

Рис. 2. Распределение углов атаки по диску несущего винта

Рис. 3. Зависимость изменения частоты вращения несущего винта от режима полет>

Рис. 4. Зависимость амплитуды вибраций от режима полета

Рис. 5. Изменение зазора в зависимости от скорости горизонтального полета

Проверка достоверности методов исследования и идентификация созданных во время работы математических моделей проводились с использованием теоретических и экспериментальных данных, полученных в ВВИА им. Н.Е. Жуковского, ЦАГИ, вертолетных КБ. Управление инженерной базой математических моделей, созданных с использованием CAD-CAM технологий, осуществляется с помощью системы IMAN. Планирование производства и управление идет в режиме реального времени с помощью системы TIME LINE.

На сегодняшний день ОКБ легкой авиации успешно решило многие вопросы проектирования автожиров. Использование созданных специалистами конструкторского бюро методик позволило провести аэродинамические, прочностные расчеты устойчивости, управляемости, балансировки автожиров. Результатом проделанной работы стал запуск автожира в опытное производство. Однако это далеко не все, что предстоит сделать.

Олег ПОЛЫНЦЕВ, инженер-конструктор, Алексей КАЛМЫКОВ, инженер-конструктор ИАПО

ЭКСПЛУАТАЦИЯ