Вертолет, 2004 № 3

Гребни хвостовой балки

Ми-2 с гребнями хвостовой балки

Одновинтовые вертолеты при выполнении полетов с малой скоростью и на режимах висения часто испытывают недостаток путевой управляемости вследствие недостаточной эффективности рулевого винта. Это особенно заметно при боковом ветре. Кроме того, с проблемой недостаточной эффективности путевого управления сталкиваются производители вертолетной техники при установке двигателей более высокой мощности. Одним из наиболее простых и эффективных путей решения этой проблемы является установка гребней на хвостовую балку. За рубежом эти устройства нашли широкое применение, и в настоящее время многие производители закладывают гребни даже в «дальние» перспективные разработки.

Впервые гребни хвостовой балки доказали свою эффективность во время англо- аргентинского конфликта 1982 года. Английские транспортные вертолеты смогли совершать полеты со значительной нагрузкой с корабельных палуб, продуваемых атлантическими ветрами различных направлений. После этого «триумфа» гребни засекретили, правда, ненадолго. Несколько позже гребни были испытаны в NASA, и их начали применять американские фирмы.

Гребни — это пластины, закрепленные вдоль хвостовой балки вертолета со стороны того борта, в направлении которого действует индуктивный поток рулевого винта. Англичане запатентовали и использовали одиночный гребень, установленный в верхней части хвостовой балки (рис. 1). Американцы установили два гребня: один также в верхней части хвостовой балки, второй — в нижней. Впоследствии в России была разработана улучшенная конструкция гребней, позволяющая в дополнение к их обычным функциям снижать вибрацию в хвостовой части вертолета.

Принцип действия гребней хвостовой балки достаточно прост. При полете на мaлой скорости и висении гребень, являясь интерцептором, обеспечивает отрыв потока от одного борта балки, что приводит к появлению разности давлений между правым и левым бортом и возникновению боковой силы, стремящейся развернуть вертолет в сторону, противоположную направлению реактивного момента несущего винта.

Рис. 1. Одиночный и двойной гребни хвостовой балки вертолета

Диаграмма распределения давления по поверхности хвостовой балки при нулевом угле атаки показана на рис. 2. На большинстве низкоскоростных режимов поток сепарирует только верхний гребень, однако при наличии бокового ветра его может оказаться недостаточно для обеспечения отрыва от всей поверхности хвостовой балки. Возврат потока к поверхности хвостовой балки приведет к уменьшению разности давлений между правым и левым бортами. Для предотвращения этого в некоторых случаях устанавливают нижний гребень. При значительной строительной высоте хвостовой балки может быть установлен и третий гребень.

Пример зависимости коэффициента боковой силы для среднего сечения вертолета Ми-2, оснащенного и не оснащенного двойными гребнями, показан на рис. 3. Согласно этим данным, на висении гребни могут компенсировать 8-22 % реактивного момента несущего винта, то есть вертолет приобретает дополнительный небольшой «рулевой винт». По мере набора горизонтальной скорости хвостовая балка перестает обдуваться индуктивных потоком несущего винта. Исчезает и боковая сила. В случае, если гребни находятся под нулевым углом атаки к горизонтальному потоку, они практически не создают каких- либо сил сопротивления и становятся «незаметными» для пилота.

Испытанный на вертолете Ми-2 в сельскохозяйственном варианте комплект гребней подтвердил их эффективность. Большая часть сельскохозяйственных работ ведется на малых скоростях, когда вертолет испытывает значительную асимметрию путевого управления и левая педаль находится вблизи упора.

После установки гребней на летательный аппарат увеличился запас путевого управления и понизилась потребная мощность на режимах низкоскоростного полета при опылении растений. Особенно это было заметно при попутных и боковых ветрах в условиях летней жары.

Однако, как показал опыт, кроме изменения аэродинамики гребни могут эффективно оказывать влияние и на изменение некоторых вибрационных характеристик воздушного судна.

Одним из источников вибрации на борту вертолета является рулевой винт. При стационарных условиях полета основными причинами динамического нагружения втулки рулевого винта являются аэродинамические силы и массовый эксцентриситет лопастей рулевого винта, вызывающие как горизонтальные, так и вертикальные колебания. Через хвостовую балку эти виды вибрации передаются на центральную часть фюзеляжа, а в некоторых случаях — по каналам путевого управления на педали летчика. Летчик вертолета Ми-2 ощущает колебания рулевого винта в виде «зудящей» тряски ног с частотой выше основной проходной частоты несущего винта. Кроме того, во время выполнения разворотов вертолета, при которых рулевой винт движется в сторону своего индуктивного потока со скоростью 2–8 м/с, наблюдаются горизонтальные колебания рулевого винта со значительной амплитудой. Они вызваны нестабильностью появляющегося режима вихревого кольца рулевого винта. Обычно это ощущается в виде низкочастотных динамических толчков фюзеляжа. Сельскохозяйственный не вертолет, как правило, попадает в этот режим при каждом развороте на новую полосу обработки.

Рис. 2. Диаграмма распределения давления по поверхности хвостовой балки до установки гребней и после

Рис. 3. Зависимость аэродинамического коэффициента боковой силы хвостовой балки от угла атаки по результатам продувок (1 — без гребней, 2 — с гребнями)

Рис. 4. Продольное виброускорение на педалях летчика вертолета Ми-2 до установки гребней (1) и после (2)

Гребни, дополненные упруго-диссипативными элементами, превращаются в виброзадерживающие ребра жесткости и позволяют снизить вибрацию на пути от рулевого винта к центральной части фюзеляжа. Количество и угловое расположение гребней по контуру хвостовой балки влияет на демпфирование вибрации в горизонтальной или вертикальной плоскости. Например, гребни, установленные на вертолете Ми-2, позволили вывести вибрацию за границы чувствительности человека — летчик перестал ощущать как вибрацию на педалях, так и толчки на разворотах. Снижение продольной вибрации на педалях в наиболее ощутимой октавной полосе 63 Гц оказалось четырехкратным (рис. 4).

Таким образом, установка легких и простых устройств — гребней хвостовой балки, оптимизированных по нескольким критериям, вызывает снижение динамических нагрузок на хвостовую балку, электронное оборудование, расположенное внутри нее, и на путевое управление, при этом увеличивая запас хода педалей, снижая потребную мощность при попутных и боковых ветрах.

Виталий ДУДНИК, ведущий инженер Ростовского филиала НИИ физических измерений, канд. техн. наук