Вертолёт, 2008 №2

На помощь приходит «Зебра»

Ка-32А1

В отличие от самолета, вертолет имеет еще один «лишний» канал управления — систему шаг-газ (управление частотой вращения несущего винта). Автоматика современных вертолетов и система шаг-газ обеспечивают поддержание частоты вращения НВ в допустимых пределах только при нормальной работе двигателей и на неманевренных режимах полета. При отказе, приводящем к потере мощности двигателя, летчик должен уменьшить общий шаг для предотвращения падения частоты вращения винта ниже допустимого значения. Справиться с этой задачей он может только при наличии так называемого времени невмешательства, необходимого на распознавание отказа и вмешательство в управление.

После проведения государственных испытаний Ка-27 (последнего соосного вертолета, разработанного под руководством Н.И. Камова) заказчик вертолета потребовал увеличения времени невмешательства на взлетном режиме работы при отказе одного двигателя. Понятно почему: Ка-27 значительное время работает на взлетном режиме, на котором увеличение времени невмешательства в управление при отказе одного двигателя является весьма актуальным.

В соответствии с выдвинутыми требованиями были проведены расчеты, стендовые и летные испытания, позволяющие увеличить время невмешательства за счет уменьшения величины минимально допустимой частоты вращения несущего винта; улучшения системы сигнализации с целью более быстрого распознавания отказа двигателя; создания автоматической системы, обеспечивающей требуемое уменьшение общего шага при отказе двигателя.

Расчеты проводились ЛИИ им. М.М. Громова совместно с фирмой Н.И. Камова и базировались на исследовании некоторых вопросов динамики полета вертолета при отказах двигателей, проведенном ранее автором этой статьи. Результаты этого исследования позволяют определить по относительной располагаемой мощности после отказа двигателя относительную величину минимальных оборотов винта при условии невмешательства в управление общим шагом. Для вертолета Ка-27 при отказе одного двигателя на взлетном режиме минимальные обороты винта составляют 71,5 % (минимально допустимое значение — 76,5 %).

При отказе одного двигателя на номинальном режиме работы другой двигатель сравнительно быстро увеличивает мощность до взлетного значения 78 % по тахометру. Так как значения минимальных оборотов винта получаются больше допустимых, никакой проблемы со временем невмешательства в управление не возникает.

Понижая минимально допустимую частоту вращения винта, можно существенно увеличить время невмешательства в управление (рис. 1). Так, для обеспечения времени невмешательства t=1 с минимальные обороты винта должны составлять 0,87 %, t=2 с — 0,83 %, t=3 с — 0,812 %. Расчеты показали, что снижение минимально допустимой частоты вращения винтов в рассматриваемом диапазоне не создает никаких проблем по сближению лопастей, управлению и срыву потока с лопастей.

Рис. 1

На базовом вертолете Ка-27 об отказе систем сигнализировали прямоугольник красного цвета и прерывистый звуковой сигнал, который подавался в шлемофон летчика. Специалисты фирмы «Камов» разработали дополнительную систему световой и звуковой сигнализации падения частоты вращения несущего винта, а также создали систему аварийной стабилизации частоты вращения несущего винта при отказе двигателя. Эта система имеет два вида сигнала: световой — в виде красного мигающего прямоугольного табло с наклонными черными линиями (табло «Зебра») и звуковой, который возникает в наушниках одновременно с включением табло «Зебра».

Система аварийной стабилизации частоты вращения несущего винта включает в себя устройство, обеспечивающее подачу управляющего сигнала на вход высотного канала автопилота. При уменьшении частоты вращения несущего винта общий шаг уменьшается примерно на 2°, что способствует уменьшению провала частоты вращения несущего винта и увеличению располагаемого времени задержки вмешательства летчика.

Стендовые испытания системы аварийной сигнализации падения оборотов проводились на трехстепенном стенде-тренажере фирмы «Камов». В процессе выполнения «полетов» оператор тренажера задавал летчику отказы различных систем вертолета. Летчик должен был погасить мигание кнопки-табло ЦСО; при получении соответствующей звуковой и световой сигнализации по отказу одного двигателя летчик должен был сбросить общий шаг с целью недопущения падения оборотов ниже 76,5-80 % по тахометру и после этого погасить ЦСО тумблером на рычаге общего шага. Всего было выполнено 639 реализаций отказов, в том числе 249 отказов одного двигателя на взлетном режиме.

По результатам статистической обработки материалов испытаний математическое ожидание времени невмешательства составило 0,74 с при среднеквадратичном отклонении 0,3 с, математическое ожидание времени реакции пилота — 0,27 с при среднеквадратичном отклонении 0,26 с.

На рис. 2 показано уменьшение величины частоты вращения винта с момента отказа двигателя до момента начала сброса шага. Видно, что при испытаниях можно получать очень малые значения этой величины, однако вероятность получения таких значений в эксплуатации очень мала. Это необходимо учитывать при проведении испытаний (обеспечивать внезапность отказов, делать достаточное количество реализаций с привлечением разных пилотов). Падение частоты вращения на 13 % с данной системой сигнализации обеспечивает обнаружение отказа двигателя в эксплуатации с вероятностью, близкой к единице.

В процессе испытаний на пилотажном стенде по рекомендациям летчиков-испытателей размер и яркость табло «Зебра» были подкорректированы с целью визуального обнаружения отказа в сложных условиях полета (при освещении кабины экипажа встречными лучами солнца), подобраны громкость и тембр звукового сигнала. Для отказа двигателя выбрана частота звука 400 Гц с частотой прерывания 4,5 Гц, которые отличаются от прочих аварийных и предупредительных сигналов. Выбрана частота вращения несущих винтов 85 % по тахометру, при которой включается прерывистый красный световой сигнал на табло «Зебра» и подается звуковой сигнал в наушники.

Рис. 2

Рис. 3

Оценка влияния автоматического сброса общего шага несущих винтов на величину 2° через автопилот на стенде показала, что разработанная система работоспособна и позволяет уменьшить величину падения частоты вращения винта на 2–3% в течение первой секунды и увеличить располагаемое время задержки вмешательства в управление.

Летные исследования, проводившиеся на аэродроме ЛИИ в январе и феврале 1979 года, подтвердили результаты расчетов по возможности уменьшения минимально допустимой частоты вращения несущего винта. В них дополнительно к расчетам было показано, что уровень нагрузок и напряжений в лопастях и втулках несущих винтов, в системе управления и подредукторной раме не превышает допустимых величин. Вибрация в кабинах вертолета при уменьшении частоты вращения несколько возрастает, но находится в допустимых пределах.

Полученные в летных исследованиях изменения частоты вращения несущего винта по времени (при имитации отказа двигателя на взлетном режиме) с разными вариантами сигнализации, а также работа автоматической системы стабилизации частоты вращения винта показаны на рис. 3. Применение табло «Зебра» (и звукового сигнала, подаваемого в наушники) облегчает распознавание отказа двигателя, способствует своевременному вмешательству летчика в управление, что позволяет повысить безопасность полета. Во время эксперимента табло сработало через 0,31 с после имитации отказа двигателя на взлетном режиме, что позволило летчику уже через 0,6 с вмешаться в управление. Частота вращения винтов за это время уменьшилась только до 81,5 единиц по тахометру.

Применение автоматики обеспечивает уменьшение общего шага винта через высотный канал автопилота. Уменьшение общего шага примерно на 2° (при частоте вращения несущего винта 86 %) оказывается при отказе двигателя на взлетном режиме недостаточным, чтобы не допустить падения частоты вращения винта ниже 76,5 %. Поскольку на этом вертолете не предусмотрено уменьшение общего шага автопилотом более 2°, то требуется вмешательство летчика. В случае применения автоматики время невмешательства летчика в управление возрастает с 2,1 до 2,5 секунд.

Всего по рассматриваемой теме было выпущено 5 совместных отчетов фирмы «Камов» и ЛИИ. Ударная работа специалистов позволила быстро снять возникшую проблему. Летчики-испытатели заказчика одобрили разработанную систему световой и звуковой сигнализации об отказе двигателя, и вертолет был принят на вооружение.

В настоящее время два табло «Зебра» применяются на вертолетах Ка-32А1 и Ка-226: одно для сигнализации минимально допустимой, а второе для сигнализации максимально допустимой частот вращения несущих винтов. Такие табло помогают летчику управлять частотой вращения несущих винтов не только при отказах двигателей, но и при выполнении маневров. Они могут использоваться также и на одновинтовых вертолетах, имеющих естественную сигнализацию об уменьшении мощности при отказе двигателя в виде резкого рывка по курсу.

Иван ГРИГОРЬЕВ, канд. техн. наук