Автожир

АвтожирАВТОЖИР, летательный аппарат тяжелее воздуха, в котором в отличие от самолета подъемная сила создается с помощью вращающегося на вертикальной оси винта-ротора. За все время полета ротор вращается свободно от встречного потока воздуха. Поступательное перемещение получается с помощью мотора с обычным для самолета пропеллером. Основные части автожира за исключением ротора, т. е. его фюзеляж, шасси, оперение и управление, мало чем отличаются от самолетных. На фиг. 1 дана схема автожира А-4, где а - мотор, б - винт, в - механический запуск ротора, г - втулка ротора, д - лопасти ротора, е - междулопастные расчалки, ж - поддерживающие расчалки, з - киль, и - руль поворота, к - руль высоты, л - стабилизатор, м - крыло с элероном, н - шасси. При косой обдувке винта окружная скорость допасти, идущей по движению, складывается со скоростью полета, а скорость лопасти, идущей против движения, равняется разности этих скоростей. Благодаря возникающей при этом разнице в подъемных силах лопастей, находящихся в различных угловых положениях, появляется поперечный момент, стремящийся опрокинуть винт. Этот момент возникает на всех винтах, имеющих жесткое крепление лопастей ко втулке (большинство геликоптерных винтов). У автожира для ликвидации этого момента лопасти ротора прикреплены ко втулке шарнирно т. о., что они могут под действием внешних сил свободно взмахивать вверх и вниз около шарнира с горизонтальной осью.

Схема автожира А-4

Для уничтожения напряжений в лонжероне лопасти от изгиба в плоскости вращения в крепление лопасти ко втулке введен еще шарнир с вертикальной осью, относительно которого лопасть может свободно повертываться в плоскости вращения. В каждый данный момент при полете лопасти устанавливаются по равнодействующей подъемных и центробежных сил. Шарнирное крепление лопастей исключает также возникновение на роторе жироскопических моментов. Небольшое крыло автожира берет на себя на малых скоростях 7—8%, а на больших до 30% общей подъемной силы. Основным его назначением является нести на себе элероны, с помощью которых осуществляется поперечное управление аппаратом. Новейшие автожиры, у которых в отличие от изображенного на фиг. 1 управление осуществляется не обычными для самолета органами, а наклонением в продольном и поперечном направлении оси вращения ротора (т. н. непосредственное управление), совсем не имеют крыла.

История. Автожир был изобретен испанским инженером Жуаном де-ла Сиерва в 1920 г. Основной идеей изобретателей было создать летательный аппарат, для которого не была бы страшна потеря скорости и следующий за ней штопор. Им было построено несколько неудачных аппаратов, роторы некоторых имели разное число лопастей и конструкций, пока в 1923 г. не было введено шарнирное крепление лопастей ротора ко втулке, обеспечившее успешные полеты автожира. Построив еще ряд автожиров, Сиерва в 1928 г. на автожир С-8 совершил перелет из Парижа в Лондон и круговой перелет по Англии. В конце 1928 г. компанией Сиерва был построен автожир С-19 М-II имевший приспособление для раскрутки ротора перед полетом, требовавший в предыдущих конструкциях длительной рулежки перед разбегом. Это приспособление состояло в особом устройстве бипланного хвостового оперения. При отклонении вверх руля и стабилизатора образуется коробка - «дефлектор», отражающая отбрасываемую винтом струю вверх на лопасти ротора. Следующая машина С-19 M-IV имеет уже механический запуск ротора перед взлетом от мотора, в дальнейшем целиком вытеснивший дефлекторный. К 1933 г., т. е. за 10 лет существования, было построено 130 автожиров, которые налетали около 30000 час., перевезя десятки тыс. пассажиров и покрыв более 4000000 км. В 1933 г. компанией Сиерва построен и испытан бескрылый двухместный автожир с непосредственным управлением С-30, который в 1934 году строился заводом де-Хавиланд (Англия) серийно под маркой С-30Р (фиг. 2). В Советском Союзе первый автожир был построен в 1929 г. инженерами Н. И. Камовым и Н. К. Скржинским на средства Осоавиахима. Этот аппарат с мотором «Титан» 230 л. с. совершил ряд удачных полетов, показав скорость до 110 км/ч на высоте 450 м.

Бескрылый двухместный автожир с непосредственным управлением С-30

После ряда теоретических и экспериментальных работ в 1931 г. ЦАГИ был построен автожир 2-ЭА, показавший данные, не уступающие заграничным: максимальная скорость 160 км/ч, минимальная - 55 км/ч, потолок 4200 м. В конце 1932 г. Отделом особых конструкций ЦАГИ был выпущен двухместный автожир А-4 с мотором М-26 300 л. с., который в 1933 г. выпускался небольшой серией (фиг. 3).

Двухместный автожир А-4 с мотором М-26 300 л. с.

В том же году был выпущен двухместный автожир А-6 с мотором 100 л. с., имеющий свободнонесущий З-лопастный ротор. Автожир А-6 очень портативен, крылья его и ротор легко складываются (фиг. 4).

Автожир А-6

Этот автожир, как и А-4, снабжен механическим запуском и тормозом ротора. В 1933 г. выпущены автожиры А-7 с мотором 100 л. с. и А-8 - экспериментальный аппарат с мотором 100 л. с., имеющий кроме обычных органов управления еще и управление с помощью наклона головки ротора. Ниже мы приводим конструктивные данные наиболее характерных автожиров (см. таблицу).

 Конструктивные данные автожиров

Конструкция автожира. На фиг. 5, А, Б, В даны основные детали автожира С-30; на фиг. 5, А дан вид автожира, где а - вал запуска, б - бензиновый бак, в - муфта и редуктор, г - дроссель, д - совместное выключение запуска и тормозного колеса, е - замок ручки управления, ж и з - регулировка поперечного и продольного управлений, и - колесный тормоз, включение и тормоз ротора, к - регулировка угла заклинения; на фиг. 5, Б изображена управляемая втулка, где а и б - вертикальный и горизонтальный шарниры лопасти, в - ручка управления, г и д - пружины продольной и поперечной регулировки, е - зубчатое колесо, ж - управление тормозом, з - поперечный шарнир, и - втулка механического запуска, к - валик механического запуска, л - фрикционный демпфер; на фиг. 5, В показаны: муфта включения а, редуктор б, включающий валик в, пружина включения г и рычаг включения д.

Автожир С-30

Лопасти ротора (фиг. 5, А) имеют обычно трубчатый лонжерон из хромомолибденовой закаленной стали с надетыми на него деревянными или металлическими нервюрами. Передняя кромка обшита фанерой или дюралем, задняя образуется металлическим стрингером. Сверху лопасти обшиваются полотном и лакируются. В Англии делаются также лопасти сплошные из легкого дерева «бальза», причем лонжероны остаются в виде трубы. Лопасти расчаленного ротора (фиг. 1) поддерживаются при стоянке на земле с помощью тросов, крепящихся к пилону, установленному на втулке, имея при этом угол свеса вниз 5—7°. Между собой они связаны «межлопастными тросами», включающими в себя резиновые амортизаторы и прикрепленными к лопастям с помощью фрикционных демпферов. Межлопастные тросы имеют назначение обеспечить равномерную раздачу крутящего момента на все лопасти при механическом запуске и других неустановившихся режимах работы. В отличие от расчаленного ротора свободнонесущий ротор (фиг. 5) [напр. А-6 (фиг. 4), С-30Р (фиг. 2)] не имеет поддерживающих тросов, которые заменены ограничителем у корня лопасти, а также межлопастных тросов, замененных фрикционными л или иными демпферами у вертикального шарнира а, ограничивающими и смягчающими движения лопастей в плоскости вращения (фиг. 5, Б). Надлежащая работа этих демпферов, а также положение вертикального шарнира относительно оси вращения играют очень большую роль в обеспечении плавной работы ротора. Благодаря шарнирному креплению основной действующей на лопасть силой является центробежная сила (примерно в 10 раз превышающая подъемную силу лопасти), которая и является расчетной для нервюр и стрингеров. Расчетным для лонжеронов лопасти является случай изгиба при падении и ударе об ограничитель после случайного поддува ветром на земле и случай кручения от инерционных сил в полете. Недостаточная жесткость лопасти на кручение кроме нежелательного увеличения угла закручивания вызывает вибрации и биение ротора в полете. Для обеспечения плавной работы ротора необходимо соблюдение полного подобия в расположении массы не только вдоль, но и поперек лопастей. Втулка ротора, вращающаяся на прикрепленной к кабану оси, имеет уши с шариковыми или обычными подшипниками, куда вставляются пальцы горизонтальных шарниров наконечников лопастей. Втулка имеет обычно два радиальных и один опорный подшипник, несущие на себе всю нагрузку. Материал втулки - высококачественная сталь. На фиг. 6 изображена втулка советского автожира А-7, а на фиг. 5, Б - управляемая втулка автожира С-30Р.

Втулка советского автожира А-7

Последняя имеет 2 взаимно перпендикулярных шарнира а и б, относительно которых она может поворачиваться. Положение втулки при нейтральном положении ручки управления в регулируется специальными пружинами г и д, которые также облегчают и упрощают управление аппаратом. Схема управления показана на фиг. 7.

Схема управления автожиром

Шасси имеют широкую колею для придания аппарату большей устойчивости против поддува боковым ветром при посадке. Применяются масляная амортизация с большим ходом (120—150 мм) и баллонные колеса. Угол выноса шасси, особенно у автожиров с непосредственным управлением, очень велик (до 30°). Посадочный угол желателен не меньше 13°. Костыль, воспринимающий при крутой посадке большие нагрузки, выполняется обычно в виде колеса на стойке с масляной амортизацией. Для улучшения маневренности на земле, что важно в условиях неподготовленных посадочных площадок, он делается управляемым.

Оперение. Благодаря наличию ротора вертикальное оперение автожира имеет малую высоту, а вместе с тем и небольшую эффективность в смысле устойчивости пути. Этот вопрос решается часто постановкой маленьких боковых килей на стабилизатор или же установкой бипланного вертикального оперения. Горизонтальное оперение автожира отличается от самолетного лишь процентным соотношением между рулями и общей площадью оперения. Для автожира этот процент доходит до 55. У бескрылого автожира общая площадь горизонтального оперения несколько больше для создания достаточной поперечной статической устойчивости.

Крыло. Площадь его подбирается из условий постоянства оборотов ротора в полете и не должна превосходить 0,8 от действительной площади лопастей. В целях обеспечения надлежащей продольной устойчивости автожира крыло должно иметь центровку в пределах 25—85% средней аэродинамической хорды. Отгибы на концах крыльев (фиг. 1), служившие для увеличения поперечной статической устойчивости и противодействия боковому скольжению, на последних автожирах устранены, причем их действие компенсировано увеличением поперечного V крыльев до 8—10°. Стреловидность крыла назад в плане, выгодная конструктивно, м. б. полезна из соображений продольной и поперечной устойчивости. Все остальные агрегаты автожира (фюзеляж, винтомоторная группа) ничем существенно не отличаются от таковых у самолета.

Аэродинамика. На всех режимах полета обороты ротора остаются почти постоянными (для обычных конструкций 150— 160 об/мин.). Благодаря вращению ротора даже при больших углах атаки его, измеряемых между потоком и плоскостью, перпендикулярной к оси вращения, сечения лопастей работают на малых углах атаки. Отношение поступательной скорости к окружной скорости конца лопасти λ меняется от 0 при вертикальном спуске до значения 0,5—0,7 при максимальных скоростях. Так. обр. даже при максимальной скорости полета внешняя половина лопасти, движущейся назад, находится в условиях нормального обтекания. Устанавливаясь в каждый данный момент по равнодействующей всех сил, лопасти совершают маховое движение относительно оси горизонтального шарнира. Описываемый лопастями конус, так называемый «тюльпан», симметричен лишь при вертикальном спуске. При поступательном движении автожира несимметрия скоростей в плоскости вращения (у лопасти, которая идет по движению аппарата, относительная скорость больше, чем у идущей против движения) вызывает несимметрию сил. Ось конуса наклоняется назад и в сторону. Т. о. полная аэродинамическая реакция ротора имеет 3 компонента: тягу, направленную по оси вращения, продольную силу, перпендикулярную к ней и лежащую в направлении движения, и боковую силу, направленную в сторону лопасти, идущей вперед. Для компенсации этой последней в конструкциях автожиров ось ротора наклоняется несколько в противоположную сторону (на 1—2,5°). Для выявления причины авторотации ротора рассмотрим силы, действующие на элемент лопасти (фиг. 8) при вертикальном спуске автожира.

Силы, действующие на элемент лопасти при вертикальном спуске автожира

Истинная скорость, подходящая к элементу под углом атаки α, является равнодействующей окружной скорости и скорости протекания воздуха сквозь диск ротора. Полная аэродинамическая реакция R, как известно, будет отклонена назад от перпендикуляра к истинной скорости на угол γ = агс tg (Q/P) т. е. на угол обратного качества профиля. Как видим из фиг. 8, сила R при проектировании на ось вращения дает силу Р1 - элементарную тягу, а в плоскости вращения - силу L, которая вызывает вращение лопасти носком вперед. Установившееся вращение имеется тогда, когда сила R направлена по оси вращения. Однако при установившейся авторотации ротора, это положение имеется только в одном сечении лопасти, находящемся примерно на 2R/3. На сечениях внутренней части лопасти равнодействующая наклонена вперед и создает крутящий момент, который поглощается внешней частью лопасти, где равнодействующая отклонена назад. Если находящийся в состоянии установившейся авторотации элемент притормозить, то благодаря уменьшению окружной скорости угол атаки возрастает, равнодействующая наклонится вперед, и возникает компонент, восстанавливающий вращение. Точно так же при ускорении вращения возникает затормаживающая сила, восстанавливающая состояние установившейся авторотации. Угол установки лопасти определяет собой угол атаки данного профиля для условий установившейся авторотации. Авторотация возможна лишь при узком диапазоне положительных углов установки лопасти, верхнее теоретическое значение которого для профиля Геттинген 429 Ɵ = 7°. На фиг. 9 изображена аэродинамическая характеристика ротора; для сравнения нанесена характеристика крыла.

Аэродинамическая характеристика ротора автожира

Все коэффициенты для ротора отнесены не к действительной площади лопастей, а к площади ометаемого ими диска. Между тем мы видим, что максимальное значение коэффициента подъемной силы Су ротора близко к таковому для крыла. Если же Су отнесем к действительной площади лопастей, то его максимальное значение будет в 8—10 раз больше, чем таковое у крыла. Ротор не имеет режима срыва, наступающего у крыла при углах атаки 15—17° и обусловливающего штопор. Коэффициент суммарной силы ротора с увеличением угла атаки постоянно возрастает. Переходя на большие углы атаки (20—30°), автожир спокойно переходит в крутое снижение с малой скоростью. Максимальное качество ротора около 8—10 (в зависимости от угла установки и коэффициента заполнения k, т. е. отношения действительной площади лопастей к ометаемой площади), причем качество прямо пропорционально первому и обратно пропорционально второму. Максимальное качество приходится на малые углы атаки, а, следовательно, и на малые значения Су, т. е. на условия максимальной скорости (фиг. 10).

avtojir 10

При размахе крыла, равном диаметру ротора, мощности, затрачиваемые на преодоление индуктивного сопротивления того и другого, а также на вредное сопротивление автожира и самолета, могут считаться равными. Мощность же, затрачиваемая на преодоление профильного сопротивления крыла, как известно, пропорциональна кубу скорости (Np = CpϱSV3), а на преодоление профильного сопротивления ротора благодаря почти полному постоянству числа его оборотов на всех скоростях - только первой степени скорости. Т. о. надо полагать, что при небольшой нагрузке на лошадиную силу мотора, т. е. при скоростном аппарате, автожир при равном весе и мощности мотора будет иметь большую максимальную скорость, чем самолет. Это положение иллюстрируют приведенные на фиг. 11. кривые Пэно автожира и самолета.

Кривые Пэно автожира и самолета

Летные характеристики автожира вытекают из его аэродинамических характеристик: высокий коэффициент подъемной силы делает возможным горизонтальный полет с очень малыми скоростями порядка 30—40 км/ч., в то же время автожир при небольшой нагрузке на 1 л. с. не уступает самолету в максимальной скорости. Диапазон скоростей автожира достигает значений 5—6 вместо 2,5—3 для самолета. Возможна очень крутая траектория снижения вплоть до вертикального спуска, скорость которого, замеренная в летных испытаниях, составляет 10 м/сек. Кроме того, автожир имеет возможность планировать полого, по самолетному. При соответствующей раскрутке ротора перед стартом автожир имеет очень короткий разбег (порядка 25—40 м и меньше), разбег автожира С-30 с непосредственным управлением равен 11 м. Это условие вместе с возможностью посадки без пробега чрезвычайно сокращает размеры потребного аэродрома, позволяя автожиру работать в условиях неподготовленных посадочных площадок. Так как качество ротора ниже качества крыла, автожир обладает худшей (примерно на 15%) скороподъемностью и более низким потолком, чем самолет. Однако в угле взлета он не уступает, а иногда и превосходит самолет, т. к. у автожира скорость по траектории значительно меньше. Безопасность автожира характеризуется гл. обр. невозможностью штопора, отсутствием явления потери скорости, нулевой посадочной скоростью. В неспокойном воздухе он более устойчив, чем самолет, благодаря инерции вращающихся лопастей. Управление автожиром проще управления самолета; это качество особенно ярко проявляется у бескрылого автожира с непосредственным управлением. Хорошая маневренность автожира определяется гл. образом широким диапазоном скоростей, более плавной передачей перегрузки на корпус и малым моментом инерции аппарата относительно вертикальной оси. Необходимо отметить, что все специфические характеристики автожира нашли свое наиболее яркое выражение в автожире с непосредственным управлением. Этот последний имеет: более короткий разбег за счет увеличения угла атаки ротора при подрыве; большую безопасность от опрокидывания боковым ветром при посадке благодаря возможности быстро погасить подъемную силу ротора, соответственно наклонив его; полную управляемость на малых скоростях, где обычное самолетное управление мало эффективно; возможность чисто вертикального спуска, доступного обычному автожиру далеко не при всякой центровке, и целый ряд других преимуществ. Именно этому типу автожиров принадлежит будущее.

Применение. Не конкурируя с самолетом во всех областях применения, автожир найдет себе целый ряд новых областей, недоступных обыкновенному самолету. Широкий диапазон скоростей и исключительные взлетно-посадочные качества позволяют автожирам хорошо работать в условиях сильно пересеченной местности. Возможность посадки на пахоту, взлета с небольшой лужайки, простота в управлении сделают его ценным аппаратом для исполкомовской авиации. Для аэрофотосъемки автожир открывает новые перспективы благодаря возможности полета на малых скоростях. Он м. б. также с успехом использован для аэросева и борьбы с вредителями сельского хозяйства. В США автожиры используются для борьбы с лесными пожарами, для туризма и для несения полицейской службы. Военное применение автожиров также имеет весьма широкие перспективы: замена автожирами змейковых аэростатов для наблюдения и корректировки стрельбы, для целей сопровождения самолетов и ближней разведки, для сопровождения военных судов и борьбы с подводными лодками. Помимо этого, имеется вероятная возможность применения автожира как скоростной и маневренной машины в роли истребителя.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.