Изобретение касается лопасти со стреловидным концом, предназначенной для вращающейся несущей поверхности или несущего винта летательного аппарата и оптимизированной для полета на большой скорости.
Из существующего уровня техники в данной области известно, что как в стационарном полете или полете в режиме зависания, так и полете с поступательным перемещением данного летательного аппарата, аэродинамические характеристики ротора летательного аппарата с вращающейся несущей поверхностью, в частности, вертолета, ограничены следующими явлениями:
- скачки уплотнения, которые развиваются на верхней поверхности и на нижней поверхности лопастей в положении их движения по направлению полета в том случае, когда данный полет выполняется на большой скорости:
- срыв потока, возникающий вследствие отрыва пограничного слоя на верхней поверхности лопастей в положении их движения против направления полета в случае необходимости увеличения подъемной силы в поступательном полете;
- взаимодействие лопасти с вихрем, порожденным предшествующей лопастью, что приводит к значительному рассеянию энергии при полете в режиме зависания в двух формах: индуктивная мощность и мощность лобового сопротивления профилей.
Кроме потерь аэродинамических характеристик, скачки уплотнения и взаимодействие лопасти с вихрями обусловливают также вредные звуковые явления в виде импульсивных шумов соответственно в результате делокализации или смещения скачков уплотнения (полет на большой скорости) и в результате импульсной модуляции подъемной силы в том случае, когда концевой или свободный вихрь ударяет непосредственно в данную лопасть (снижение).
Установлено, что аэродинамические характеристики лопасти для вращающейся несущей поверхности летательного аппарата в значительной мере зависят от параметров, связанных с конструкцией данной лопасти, таких, например, как:
а) радиальное распределение площади поверхности данной лопасти;
б) придание стреловидности свободной концевой части лопасти;
с) изменение относительной толщины профилей;
д) распределение крутки или закрученности профилей;
е) придание формы двугранного угла свободной концевой части лопасти.
Влияние этих параметров на аэродинамические характеристики некоторой лопасти вращающегося несущего винта летательного аппарата подробно исследуется в последующем изложении.
а) Радиальное распределение площади поверхности лопасти
Для ротора летательного аппарата с вращающейся несущей поверхностью, профили или элементарные поперечные сечения которой все работают с одним и тем же коэффициентом подъемной силы Cz, отнесенная к единице длины подъемная сила изменяется как длина локальной хорды L(r) и как квадрат локальной скорости, которая прямо пропорциональна радиусу (или радиальному положению) r данного поперечного сечения. Из этого следует, что полная подъемная сила лопасти изменяется пропорционально средней длине хорды 
определяемой путем уравновешивания квадратом радиуса r
где RO представляет собой радиус r в начале снабженной оперением части лопасти, а R представляет собой полный радиус данной лопасти.
Обычным является сравнение аэродинамических характеристик лопастей различных форм путем соотнесения их с упомянутой средней хордой лопасти 
По отношению к классической лопасти прямоугольной формы расчеты показывают, а экспериментальные данные это подтверждают, что некоторое уменьшение хорды на внешнем конце данной лопасти (заостренная форма) улучшает аэродинамические характеристики, в частности, на больших скоростях. Это улучшение аэродинамических характеристик накладывается на уменьшение лобового сопротивления профилей, связанное с уменьшением хорды на конце лопасти. Скачки уплотнения, располагающиеся в этой зоне, воздействуют на меньшую площадь поверхности, тогда как центральная часть данной лопасти, не подверженная воздействию скачков уплотнения, обеспечивает в этом случае основную часть подъемной силы с максимальным аэродинамическим качеством, то есть отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению является здесь максимальным.
Увеличение хорды на оставшейся части размаха лопасти, необходимое для поддержания постоянного значения средней хорды, оказывается, однако, весьма значительным вследствие ее уравновешивания r2. Результатом этого является значительное утяжеление ротора. Тем не менее, заострение лопасти по направлению к ее концу является обычным средством, часто используемым для улучшения аэродинамических характеристик данной лопасти, обычно в сочетании с приданием стреловидности концу этой лопасти, как это проиллюстрировано, например, в патентах Франции FR-2 617 118 и FR-2 473 983.
В то же время патент Франции FR-2 311 713 предлагает совершенно другую конструкцию. Кроме других особенностей, ее суть состоит в резком увеличении хорды за пределами некоторого поперечного сечения, располагающегося примерно на уровне 87% полного радиуса данной лопасти R. Такое техническое решение способствует появлению интенсивных и устойчивых вихрей, которые отодвигают границу срыва потока, в частности, в том случае, когда данная лопасть движется в направлении, противоположном направлению полета. Однако эта концепция, которая концентрирует площадь поверхности данной лопасти в окрестности ее свободного конца, приводит к уменьшению эффективной части ротора до размеров некоторого периферийного кольца. Это делает индуктированный поток менее однородным и, следовательно, возрастает индуктированная мощность, что особенно нежелательно на взлете.
Резкие изменения хорды и связанные с этим недостатки устранены в концепции лопасти, являющейся объектом патента Франции FR-2 689 852, выданном на имя Заявителя. Здесь зона максимальной хорды остается близкой к концу лопасти также с целью увеличения способности развивать подъемную силу. Однако эта концепция не является идеальной для полета на большой скорости со средней величиной подъемной силы, поскольку в этих условиях поперечные сечения лопасти с большой хордой, близкие к концу этой лопасти, имеют повышенное лобовое сопротивление вследствие явлений сжимаемости воздуха, тогда как зона наилучшего аэродинамического качества (то есть зона наилучшего или наибольшего значения отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению) располагается на большем расстоянии от конца лопасти. Слишком малая часть площади поверхности данной лопасти задействована в этой центральной зоне лопасти, где аэродинамическое качество является максимальным.
б) Придание стреловидности свободной концевой части лопасти
В дополнение к сказанному выше и для того, чтобы отодвинуть порог возникновения скачков уплотнения и ограничить их интенсивность, предпочтительным является искривление свободного конца лопасти в направлении назад. Угол стреловидности Λ, определяемый линией аэродинамических фокусов (располагающейся в окрестности первой четверти хорды лопасти) и осью изменения шага, уменьшает эффективное число Маха. Таким образом, придание стреловидности свободному концу лопасти представляет собой эффективное средство для уменьшения неблагоприятных последствий сжимаемости воздуха, в частности, появления скачков уплотнения.
Такое придание стреловидности концевой части лопасти проиллюстрировано, в частности, в патентах Франции FR-2 311 713, FR-2 473 983 и FR-2 617 118 и эффективно используется на некоторых типах вертолетов.
Однако амплитуда угла стреловидности и протяженность по размаху лопасти упомянутой концевой зоны по существу ограничены крутящими усилиями, которые являются следствием смещения в направлении назад аэродинамической подъемной силы, а также центра тяжести лопасти.
В патенте Франции FR-2 311 713 предлагается сместить в направлении вперед некоторую часть лопасти таким образом, чтобы уравновесить определенное смещение назад ее концевой части. Это позволяет продлить зону стреловидности на более значительную часть размаха данной лопасти. Однако соединение участка передней кромки, смещенного по направлению вперед с внутренней частью лопасти, осуществляется достаточно резким образом, и вихрь, порождаемый этой зоной соединения, вызывает преждевременный срыв потока с профилей, более близких к втулке ротора. На большой скорости вогнутая форма передней кромки на уровне этого соединения фокусирует и локально усиливает скачки уплотнения, что может привести к ослаблению и даже к полной ликвидации благоприятных эффектов придания стреловидности.
В патенте Франции FR-2 397 328 также предлагается смещение в направлении вперед передней кромки лопасти, но с другой целью. Здесь речь не идет об уменьшении усилий кручения, но о том, чтобы вызвать упругую деформацию лопасти контролируемым образом, что предполагают благоприятным обстоятельством.
Однако влияние угла стреловидности может стать неблагоприятным на большой скорости в том случае, если этот угол имеет величину, превышающую примерно 45o. Если угол стреловидности концевой части лопасти является слишком большим, течение воздуха осуществляется практически параллельно передней кромке в том случае, когда данная лопасть находится в движении против направления полета и в заднем секторе диска, ометаемого данным ротором или несущим винтом, в полете с быстрым поступательным перемещением летательного аппарата: это временно уменьшает аэродинамическую подъемную силу концевой части лопасти и увеличивает ее лобовое сопротивление, в результате чего происходит некоторая потеря общей эффективности. Эта проблема может затрагивать, в частности, лопасть со стреловидной концевой частью, являющуюся объектом патента Франции FR-2 689 852.
с) Изменение относительной толщины профилей
Относительная толщина некоторого поперечного сечения лопасти определяется как отношение абсолютной толщины в этом сечении к длине хорды профиля, который образует контур этого поперечного сечения или e/L.
Обычные лопасти, имеющие постоянную длину хорды на большей части размаха, обычно используют со стороны корневой части лопасти такие профили, относительная толщина которых имеет величину в диапазоне от 10 до 14%, что обеспечивает им достаточную прочность на кручение, но с недостаточно хорошими аэродинамическими характеристиками на больших скоростях.
Например, в патенте Франции FR-2 689 852 уменьшение хорды в направлении корневой части лопасти способно улучшить аэродинамические характеристики на больших скоростях, поскольку аэродинамическое качество в корневой части лопасти не является высоким вследствие очень больших изменений аэродинамического угла атаки и воздействия со стороны задней кромки, которые испытывают профили, располагающиеся внутри зоны, называемой "окружностью инверсии".
Однако уменьшение хорды лопасти опасным образом снижает ее прочность и деформации кручения, которым благоприятствует также смещение от конца по отношению к оси изменения шага, принимают такую амплитуду, что аэродинамические характеристики даже ухудшаются или по крайней мере не улучшаются в ожидаемой и желаемой степени.
д) Распределение крутки профилей
Кроме радиального распределения длины хорды и придания некоторой стреловидности концевой части лопасти, распределение крутки элементарных поперечных сечений лопасти также оказывает определенное влияние на улучшение аэродинамических характеристик этой лопасти.
Крутка лопасти состоит в изменении угла установки профилей вдоль размаха данной лопасти таким образом, чтобы внешний конец лопасти встречал воздушный поток с относительно небольшим углом атаки, а корневая часть лопасти встречала воздушный поток с некоторым более значительным углом атаки. Это позволяет более равномерным образом распределить аэродинамическую подъемную силу по всей поверхности несущего винта и уменьшить тем самым потребляемую мощность в стационарном полете в режиме зависания.
Таким образом, крутка лопасти характеризуется различием угла установки профилей между двумя концами этой лопасти. Однако известно, что большая крутка может привести внешний конец лопасти к отрицательной установке (в направлении вниз) в положении движения данной лопасти по направлению полета в том случае, когда данный летательный аппарат с вращающейся несущей поверхностью перемещается с большой скоростью. При этом аэродинамические характеристики оказываются ухудшенными и особенно сильно возрастают вибрации.
Итак, выбор крутки данной лопасти является результатом компромисса между, с одной стороны, полетом в режиме зависания или полета с относительно небольшими поступательными скоростями, которые требуют относительно большой крутки лопасти, а с другой стороны, полетом на большой скорости, для которого крутка лопасти должна быть более умеренной.
Для упрощения конструкции лопасти радиальное распределение крутки часто принимается линейным таким образом, что полного значения крутки достаточно для того, чтобы определить угол установки любого элементарного поперечного сечения данной лопасти.
Однако для улучшения аэродинамических характеристик в патенте Франции FR-2 636 593 предлагается реализовать некоторую нелинейную крутку лопасти, состоящую в придании некоторой избыточной крутки внешней концевой части данной лопасти, например, на уровне между 85 и 100% полного радиуса R этой лопасти. Следствием этого является уменьшение интенсивности концевого вихря и даже полная его ликвидация, для некоторого заданного уровня аэродинамической подъемной силы таким образом, что аэродинамические характеристики на малых скоростях полета улучшаются и ослабляется в определенной степени акустический шум от взаимодействия лопасти с вихрем на снижении.
Однако такая конфигурация лопасти не позволяет сдвинуть границы срыва потока, и выигрыш в мощности на больших скоростях полета уменьшается.
В патенте Франции FR-2 689 852 предлагается сильно увеличить степень крутки лопасти в некоторой центральной ее зоне, располагающейся на участке между 45 и 80% размаха данной лопасти. Такая модификация, которая имеет целью улучшить способность создавать подъемную силу, не будет оптимальной для несущего винта, задача которого будет состоять в повышении эффективности на больших скоростях полета.
е) Придание формы двугранного угла свободной концевой части лопасти
Обычно лопасти несущих винтов вертолетов конструируются таким образом, что аэродинамический фокус профилей, определяемый обычно как точка, находящаяся на половине толщины этого профиля в передней четверти его хорды, остается расположенным точно на оси изменения шага по всей длине размаха данной лопасти. В то же время придание стреловидности свободной концевой части лопасти осуществляется обычно путем перемещения этого аэродинамического фокуса в плоскости, определяемой, с одной стороны, осью изменения шага, а с другой стороны, направлением хорды профиля в этой концевой зоне.
В патенте Франции FR-2 617 118 описывается некоторое усовершенствование этой классической конструкции лопасти, заключающееся во вписывании линии аэродинамических фокусов в некоторую плоскость, проходящую через ось изменения шага, но наклонным образом по отношению к хорде, так, чтобы аэродинамический фокус профилей внешнего конца данной лопасти располагался определенно ниже, чем внутренняя часть лопасти. Концевой вихрь, порождаемый внешним концом одной лопасти, оказывается, таким образом, удаленным от следующей лопасти, следствием чего является уменьшение интенсивности взаимодействия лопастей с вихрями, в частности, при полете в режиме зависания. Из этого следует определенное уменьшение мощности, потребляемой несущим винтом, в частности, при полете в режиме зависания или с небольшими скоростями поступательного движения.
Такой образ действий обозначается термином "придание формы двугранного угла" концевой части лопасти, хотя в патенте Франции FR-2 617 118 осуществляется постепенное перемещение (параболического типа) аэродинамического фокуса, а не простой "излом", что имеет место также в патенте Франции FR-2 689 852.
Таким образом, можно видеть, что ни один из упомянутых выше источников не описывает конструкции лопасти несущего винта вертолета, полностью лишенной недостатков, и в этом контексте предлагаемое изобретение касается лопасти, предназначенной для образования вращающейся несущей поверхности летательного аппарата, со стреловидным внешним концом, геометрические параметры которой определяются оптимальным образом для того, чтобы гарантировать получение наилучших аэродинамических характеристик, в частности, для полета на больших скоростях.
Для этого в соответствии с предлагаемым изобретением лопасть со стреловидным концом для вращающейся несущей поверхности летательного аппарата, предназначенная для использования в составе несущего винта, втулка которого связана с этой лопастью и который может быть приведен во вращательное движение относительно оси упомянутой втулки, причем эта лопасть содержит некоторую переднюю кромку и некоторую заднюю кромку и образована совокупностью последовательных поперечных сечений, идентифицируемых при помощи расстояния r, отделяющего каждое из этих поперечных сечений от оси вращения упомянутой втулки несущего винта, и каждое из этих поперечных сечений имеет некоторый профиль с определенной хордой и некоторым аэродинамическим фокусом, смещение которого по отношению к оси изменения шага, ортогональной к каждому из упомянутых поперечных сечений, определяет угол стреловидности данной лопасти, отличается тем, что поскольку упомянутая лопасть разделена вдоль своей продольной протяженности на четыре зоны, а именно, некоторую первую зону, проходящую от внутреннего края лопасти до некоторого первого поперечного ее сечения, располагающегося точно на уровне 66% полной длины этой лопасти, считая от оси вращения втулки данного несущего винта, некоторую вторую зону, проходящую от упомянутого первого поперечного сечения этой лопасти до некоторого второго ее поперечного сечения, располагающегося точно на уровне 85% полной длины этой лопасти, некоторую третью зону, проходящую от упомянутого второго поперечного сечения этой лопасти до некоторого третьего ее поперечного сечения, располагающегося на уровне между 93 и 97% полной длины этой лопасти, и некоторую четвертую зону, проходящую от упомянутого третьего ее поперечного сечения до внешнего свободного края этой лопасти, длина хорды профиля этой лопасти L возрастает в целом линейным образом в упомянутой первой зоне, является максимальной и постоянной в упомянутой второй зоне, линейно уменьшается в упомянутой третьей зоне и уменьшается по параболическому закону в упомянутой четвертой зоне при соблюдении непрерывности степени изменения длины хорды на границе, являющейся общей с упомянутой третьей зоной, и смещение Y'f аэродинамического фокуса по отношению к оси изменения шага является положительным и увеличивается пропорционально упомянутому расстоянию r в упомянутой первой зоне, является максимальным и постоянным в упомянутой второй зоне, уменьшается линейным образом и становится отрицательным в упомянутой третьей зоне таким образом, что угол стреловидности Λ сохраняет некоторую постоянную величину, составляющую 25o в направлении назад, и уменьшается в соответствии с некоторой параболической функцией в упомянутой четвертой зоне при соблюдении непрерывности угла стреловидности Λ на общей границе с упомянутой третьей зоной и вплоть до достижения своей самой низкой отрицательной величины на конце данной лопасти.
Таким образом, определенная выше геометрия лопасти в соответствии с предлагаемым изобретением позволяет гарантировать наилучшие аэродинамические характеристики для летательного аппарата с вращающейся несущей поверхностью, в частности, для вертолета, вертикальная подъемная сила которого обеспечивается несущим винтом, образованным такими лопастями, летающего с относительно большой крейсерской скоростью, составляющей от 315 до 350 км/час в качестве примера, на умеренном уровне аэродинамической подъемной силы, характеризующемся средним коэффициентом подъемной силы профилей Czm, имеющем величину в диапазоне от 0,3 до 0,5.
Говоря более конкретно, с одной стороны, расположение в соответствии с предлагаемым изобретением зоны максимальной хорды по размаху данной лопасти, смещенной в область средней зоны этого размаха, позволяет обеспечить наибольшую способность к развитию высокой скорости одновременно с тем, что увеличивается протяженность зоны уменьшения хорды по направлению к свободному концу данной лопасти. Эта новая конструкция лопасти позволяет также сократить зону уменьшения хорды в направлении корневой части лопасти, что позволяет повысить конструктивную прочность этой лопасти, дающую возможность ограничить нежелательные деформации кручения.
С другой стороны, напоминая о том, что аэродинамический фокус определяется здесь как точка каждого поперечного сечения лопасти, располагающаяся в передней четверти этого сечения между передней кромкой и задней кромкой данной лопасти, и упомянутое смещение аэродинамического фокуса Y'f представляет собой расстояние в направлении хорды между осью изменения шага и упомянутым фокусом, считающееся положительным в том случае, когда смещение данного сечения осуществляется в направлении передней кромки данной лопасти.
Угол стреловидности Λ определяется как угол между касательной к кривой, соединяющей упомянутые аэродинамические фокусы поперечных сечений, и осью изменения шага при виде сверху. Эта стреловидность направлена назад со стороны свободного конца лопасти. Упомянутый угол Λ непосредственно выводится из закона изменения параметра Y'f
Λ(r) = arctg(dY′f/dr).
Благоприятное влияние угла стреловидности, уменьшающего интенсивность скачков уплотнения, полностью обеспечивается для значений угла стреловидности Λ в диапазоне от 30 до 45o, причем максимальное значение угла стреловидности 45o достигается только на самом конце данной лопасти.
Предлагаемое изобретение позволяет ограничить угол стреловидности максимальной величиной 45o на конце лопасти благодаря очень плавному и постепенному уменьшению хорды в сочетании с прямолинейной задней кромкой на всей части лопасти, заключенной между наиболее протяженной хордой и концом этой лопасти.
Другое благоприятное следствие этого нового конструктивного решения состоит в том, что смещение назад аэродинамического фокуса на конце лопасти по отношению к оси изменения шага оказывается уменьшенным по сравнению, в частности, со случаем, описанным в патенте Франции FR-2 689 852, что несколько ограничивает деформации кручения лопасти.
Закон изменения длины хорды в предпочтительном варианте реализации может быть заключен между:
- некоторой нижней границей ABCDE, где координаты упомянутых точек A, B, C, D и E имеют следующие значения:
причем линии, соединяющие эти точки для формирования упомянутой границы ABCDE, таковы, что:
где Ra, Rb, Rc, Rd и Re соответственно представляют положение точек A, B, C, D и E вдоль лопасти;
- и некоторой верхней границей FGHIJ, где координаты упомянутых точек F, G, H, I и J имеют следующие значения:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы сформировать границу FGHIJ, таковы, что:
притом, что Rf, Rg, Rh, Ri и Rj представляют собой соответствующие положения точек F, G, H, I и J вдоль протяженности данной лопасти.
Между упомянутыми граничными кривыми, нижней ABCDE и верхней FGHIJ, некоторая предпочтительная кривая образована точками P, Q, R, S и T, координаты которых имеют следующие значения:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать кривую PQRST, таковы, что:
притом, что Rp, Rq, Rr, Rs и Rt представляют собой соответствующее положение точек P, Q, R, S и T вдоль протяженности данной лопасти.
Кроме того, закон изменения смещения аэродинамического фокуса в предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения может быть заключен между:
- некоторой нижней границей A', B', C', D', E', причем координаты упомянутых выше точек A', B', C', D', E' имеют следующие значения:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу A' B' C' D' E' таковы, что:
где Ra', Rb', Rc', Rd' и Re' представляют собой соответствующее положение точек A', B', C', D' и E' вдоль протяженности данной лопасти;
- и некоторой верхней границей F'G'H'I'J', причем координаты упомянутых точек F', G', H', I', J' имеют следующие значения:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу F'G'H'I'J' таковы, что:
где Rf', Rg', Rh', Ri' и Rj' представляют собой соответственно положение точек F', G', H', I' и J' вдоль лопасти.
Между упомянутой нижней границей A'B'C'D'E' и упомянутой верхней границей F'G'H'I'J' некоторая предпочтительная кривая образована точками P', Q', R', S' и T', которые имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать кривую P'Q'R'S'T', таковы, что
где Rp', Rq', Rr', Rs' и Rt' представляют соответственно положение точек Р', Q', R', S' и T' вдоль лопасти.
В предпочтительном варианте реализации параметры законов изменения вдоль упомянутой протяженности лопасти в продольном направлении и для каждой из упомянутых выше зон, с одной стороны, длины L хорды каждого поперечного сечения по отношению к средней длине хорды 
а с другой стороны, смещения Y'f аэродинамического фокуса каждого поперечного сечения лопасти по отношению к оси изменения шага, практически обеспечивают расположение общего аэродинамического фокуса данной лопасти на упомянутой оси изменения шага.
Закон изменения вертикального смещения аэродинамического фокуса Zv/R, в то же время, может быть таким, что этот аэродинамический фокус профилей на внешнем конце лопасти будет располагаться определенно ниже, чем внутренняя часть лопасти. Концевой вихрь, порождаемый внешним концом одной лопасти, оказывается, таким образом, удаленным от следующей лопасти, следствием чего является уменьшение интенсивности взаимодействия лопастей с вихрями, в частности, при полете в режиме зависания. Из этого следует определенное уменьшение мощности, потребляемой несущим винтом данного летательного аппарата, в частности, при полете в режиме зависания и с малыми поступательными скоростями.
В предпочтительном варианте реализации этот закон изменения вертикального смещения аэродинамического фокуса будет располагаться между:
- некоторой нижней границей A''B''C''D''E'', где соответствующие точки A'', B'', C'', D'', E'' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу A''B''C''D''E'', таковы, что:
где Ra'', Rb'', Rc'', Rd'' и Re'' представляют собой соответственно положение точек A'', B'', C'', D'' и E'' вдоль лопасти;
- и некоторой верхней границей F''G''H''I''J'', где соответствующие точки F'', G'', H'', I'' и J'' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу F''G''H''I''J'', таковы, что:
где Rf'', Rg'', Rh'', Ri'' и Rj'' представляют собой соответственно положение точек F'', G'', H'', I'', J'' лопасти.
Между упомянутой нижней границей A''B''C''D''E'' и упомянутой верхней границей F''G''H''I''J'' некоторая предпочтительная кривая образована точками P'', Q'', R'', S'' и T'', которые имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать кривую P''Q''R''S''T'', таковы, что:
где Rp'', Rq'', Rr'', Rs'' и Rt'' представляют собой соответственно положение точек P'', Q'', R'', S'' и T'' вдоль лопасти.
Закон изменения относительной толщины поперечных сечений лопасти e/L может быть, кроме того, заключен между:
- некоторой нижней границей UVW, где упомянутые точки U, V и W имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу UVW, таковы, что:
где Ru, Rv, Rw представляют собой соответственно положение точек U, V и W вдоль лопасти;
- и некоторой верхней границей XYZ, где упомянутые точки X, Y и Z имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу XYZ, таковы, что:
где Rx, Ry и Rz представляют собой соответственно положение точек X, Y и Z вдоль лопасти.
Между упомянутой нижней границей UVW и упомянутой верхней границей XYZ некоторая предпочтительная кривая образована точками К, L и М, которые имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать кривую KLM, таковы, что:
где Rk, Rl и Rm представляют собой соответственно положение точек К, L и М вдоль лопасти.
Приведенные в приложении к данному описанию фигуры позволяют лучше понять, каким образом может быть реализовано данное изобретение. На этих фигурах идентичные элементы обозначены одними и теми же позициями:
- Фиг. 1 представляет собой схематический перспективный вид лопасти несущего винта вертолета в соответствии с предлагаемым изобретением;
- Фиг. 2 представляет собой схематический вид сверху примера реализации лопасти несущего винта вертолета в соответствии с предлагаемым изобретением;
- Фиг. 3 представляет собой график, демонстрирующий изменение длины хорды поперечного сечения данной лопасти вдоль продольной протяженности этой лопасти;
- Фиг. 4 представляет собой график, демонстрирующий изменение смещения аэродинамического фокуса вдоль продольной протяженности данной лопасти;
- Фиг. 5 представляет собой график, демонстрирующий вертикальное смещение центра крутки данной лопасти по отношению к некоторой конструкционной плоскости этой лопасти, которая будет определена в последующем изложении;
- Фиг. 6 представляет собой график, демонстрирующий изменение относительной толщины последовательных поперечных сечений данной лопасти.
Лопасть 1 со стреловидным внешним концом в соответствии с предлагаемым изобретением, схематически представленная в перспективном виде на фиг. 1, образует часть некоторого несущего винта вертолета. Втулка 2 этого несущего винта на фиг. 1 показана лишь схематическим образом, а другие лопасти этого несущего винта вертолета на фиг. 1 не показаны вообще. Эта лопасть 1 связана с упомянутой втулкой 2 при помощи некоторых органов 3 шарнирного соединения и удержания данной лопасти, в частности, при помощи некоторого шарнира изменения шага лопасти вокруг некоторой оси 4, называемой осью управляемого изменения шага, как это делается обычно.
В то же время эта лопасть 1, имеющая некоторую переднюю кромку 5 и некоторую заднюю кромку 6, образована совокупностью последовательно расположенных элементарных поперечных сечений, одно из которых 7 схематически показано на фиг. 1. Каждое такое элементарное поперечное сечение лопасти идентифицируется при помощи расстояния r, отделяющего данное поперечное сечение от оси вращения 2a упомянутой втулки данного несущего винта 2, и характеризуется некоторым профилем с определенной длиной L хорды, а также некоторым аэродинамическим фокусом (то есть точкой приложения аэродинамической подъемной силы), причем "кривая" расположения этих аэродинамических фокусов для упомянутой совокупности элементарных поперечных сечений данной лопасти 8 представлена на фиг. 2. Смещение упомянутого аэродинамического фокуса по отношению к упомянутой оси изменения шага 4 данной лопасти, ортогональной относительно упомянутых последовательных поперечных сечений 7 данной лопасти, определяет стреловидность этой лопасти, как это хорошо видно на фиг. 2.
Ниже будет подробно описана геометрическая конструкция лопасти несущего винта вертолета, позволяющая точно определить поверхность лопасти 1 в соответствии с предлагаемым изобретением.
Для описания конструкции лопасти несущего винта вертолета в соответствии с предлагаемым изобретением выбрана прямоугольная система координат с началом О в центре данного несущего винта вертолета.
Представленная на фиг. 1 ось ОХ представляет собой ось изменения шага 4 данной лопасти таким образом, что первая координата совпадает с упомянутым радиусом или расстоянием r, отсчитываемым от центра вращения О данного несущего винта. Вторая координата или ось OY, ортогональная по отношению к упомянутой оси ОХ, образует заданное направление смещения и произвольно ориентирована в направлении передней кромки 5 данной лопасти. Третья ось OZ перпендикулярна плоскости, определяемой осями ОХ и OY, и произвольно направлена вверх (или в направлении верхних поверхностей профилей упомянутых последовательных поперечных сечений данной лопасти). Данная система координат построена в предположении, что данный несущий винт вращается в направлении против часовой стрелки. Однако, само собой разумеется, что все сказанное ниже остается действительным и для случая, когда данный несущий винт вращается в направлении по часовой стрелке.
Плоскость, определяемая осями ОХ и OY, в последующем изложении будет называться конструкционной или опорной плоскостью данной лопасти. Эта плоскость, определяемая осями ОХ и OY, выбирается таким образом, чтобы она совпадала с плоскостью нулевой аэродинамической подъемной силы данной лопасти. Реальная поверхность рассматриваемой лопасти (или огибающая этой лопасти) определяется совокупностью плоских поперечных сечений 7 этой лопасти, каждое из которых параллельно остальным поперечным сечениям этой лопасти и параллельно плоскости, образованной осями ОХ и OZ, и перпендикулярно оси изменения шага ОХ.
Каждое элементарное поперечное сечение данной лопасти может быть идентифицировано при помощи соответствующего этому поперечному сечению радиуса или расстояния r (то есть расстояния, отделяющего данное элементарное поперечное сечение от оси OY), имеющего величину в диапазоне от RO (начало "оперенной" части данной лопасти) до R (внешний конец этой лопасти).
Параметры, определяющие контур некоторого элементарного поперечного сечения 7 данной лопасти 1 в целом известны, в частности, из патента Франции FR-2 689 852.
Лопасть несущего винта вертолета, которая является объектом предлагаемого изобретения, подразделяется на четыре зоны, позволяющие подробно описать ее независимо от крутки и относительной толщины элементарных поперечных сечений, которые требуют специальных сечений, определяемых в последующем изложении. Эти четыре зоны определяются следующим образом:
- некоторая первая зона, которая проходит от поперечного сечения RO, соответствующего началу "оперенной" части данной лопасти, до поперечного сечения R1, располагающегося точно на уровне 66% от полного радиуса R данной лопасти;
- некоторая вторая зона, которая проходит от упомянутого поперечного сечения R1 до поперечного сечения R2, располагающегося точно на уровне 85% полного радиуса R;
- некоторая третья зона, которая проходит от упомянутого поперечного сечения R2 до поперечного сечения R3, располагающегося на уровне между 93 и 97% полного радиуса R;
- некоторая четвертая зона, которая проходит от упомянутого сечения R3 до свободного конца данной лопасти, то есть до уровня 100% R.
В соответствии с предлагаемым изобретением в этих различных зонах длина хорды L поперечного сечения лопасти сначала возрастает обычно линейным образом в упомянутой первой зоне, затем остается максимальной и постоянной в упомянутой второй зоне, после чего линейно уменьшается в упомянутой третьей зоне и уменьшается в соответствии с некоторой параболической функцией в упомянутой четвертой зоне при соблюдении непрерывности степени изменения длины хорды на общей границе с упомянутой третьей зоной, и смещение Y'f аэродинамического фокуса по отношению к оси изменения шага для элементарных поперечных сечений лопасти в упомянутой первой зоне является положительным и возрастает пропорционально расстоянию r, является максимальным и постоянным в упомянутой второй зоне, уменьшается линейным образом и в конце концов становится отрицательным в упомянутой третьей зоне таким образом, что угол стреловидности Λ сохраняет некоторую постоянную величину, точно равную 25o в направлении назад, и уменьшается в соответствии с некоторой параболической функцией в упомянутой четвертой зоне при соблюдении непрерывности угла стреловидности Λ на общей границе с упомянутой третьей зоной вплоть до достижения своей наинизшей отрицательной величины на конце данной лопасти.
Как показано на фиг. 3, закон изменения длины хорды элементарного поперечного сечения лопасти в предпочтительном варианте реализации может быть заключен между:
- некоторой нижней границей ABCDE, где упомянутые точки A, B, C, D и E имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы сформировать упомянутую нижнюю границу ABCDE, таковы, что
где Ra, Rb, Rc, Rd и Re представляют собой соответственно положение точек A, B, C, D и E вдоль лопасти;
- и некоторой верхней границей FGHIJ, где упомянутые точки F, G, H, I и J имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы сформировать упомянутую верхнюю границу FGHIJ, таковы, что:
где Rf, Rg, Rh, Ri и Rj представляют собой соответственно положение точек F, G, H, I и J вдоль лопасти.
Между упомянутой нижней границей ABCDE и упомянутой верхней границей FGHIJ некоторая предпочтительная кривая образована точками P, Q, R, S и T, как это показано на фиг. 3, причем упомянутые точки имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать кривую PQRST, таковы, что:
где Rp, Rq, Rr, Rs и Rt представляют собой соответственно положение точек P, Q, R, S и T вдоль лопасти.
Кроме того, как можно видеть на фиг. 4, закон изменения смещения аэродинамического фокуса в предпочтительном варианте реализации может быть заключен между некоторой границей A'B'C'D'E', где упомянутые точки A', B', C', D' и E' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу A'B'C'D'E', таковы, что:
где Ra', Rb', Rc', Rd' и Re' представляют соответственно положение точек A', B', C', D' и E' вдоль лопасти;
- и некоторой верхней границы F'G'H'I'J', где упомянутые точки F', G', H', I' и J' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу F'G'H'I'J', таковы, что:
где Rf', Rg', Rh', Ri', Rj' представляют собой соответственно положение точек F', G', H', I' и J' вдоль лопасти.
Между упомянутой нижней границей A'B'C'D'E' и упомянутой верхней границей F'G'H'I'J' некоторая предпочтительная кривая, как это показано на фиг. 4, образована точками P', Q', R', S' и T', которые имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать кривую P'Q'R'S'T', таковы, что:
где Rp', Rg', Rr', Rs' и Rt' представляют собой соответственно положение точек P', Q', R', S' и T' вдоль линии лопасти.
Как уже было сказано выше, предпочтительно, чтобы параметры законов изменения вдоль упомянутой продольной протяженности данной лопасти и для каждой из упомянутых зон, с одной стороны, длины L хорды каждого поперечного сечения лопасти по отношению к средней хорде 
а с другой стороны, смещения аэродинамического фокуса каждого элементарного поперечного сечения по отношению к оси изменения шага, точно обеспечивали позиционирование общего аэродинамического фокуса данной лопасти на упомянутой оси изменения шага этой лопасти.
Кроме того, как можно видеть на фиг. 5, закон изменения вертикального смещения аэродинамического фокуса Zv/R может быть заключен между:
- некоторой нижней границей A''B''C''D''E'', где упомянутые точки A'', B'', C'', D'' и E'' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу A''B''C''D''E'', таковы, что:
где Ra'', Rb'', Rc'', Rd'' и Re'' представляют собой соответственно положение точек A'', B'', C'', D'' и E'' вдоль лопасти;
- и некоторой нижней границей F''G''H''I''J'', где упомянутые точки F'', G'', H'', I'' и J'' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу F''G''H''I''J'', таковы, что:
где Rf'', Rg'', Rh'', Ri'' и Rj'' представляют соответственно положение точек F'', G'', H'', I'' и J'' вдоль лопасти.
Между упомянутой нижней границей A''B''C''D''E'' и упомянутой верхней границей F''G''H''I''J'' некоторая предпочтительная кривая, как это показано на фиг. 5, образована точками P'', Q'', R'', S'' и T'', которые имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую кривую P''Q''R''S''T'', таковы, что:
где Rp'', Rq'', Rr'', Rs'' и Rt'' представляют собой соответственно положение точек P'', Q'', R'', S'' и T'' вдоль лопасти.
В то же время рекомендованная форма лопасти может обладать некоторой линейной аэродинамической круткой с некоторой полной амплитудой, величина которой заключена в диапазоне от -8 до -14o, между центром данного несущего винта и свободным концом данной лопасти. Как это делается обычно, упомянутая крутка считается отрицательной в том случае, когда передняя кромка более наружных элементарных поперечных сечений данной лопасти понижается по отношению к передней кромке элементарных поперечных сечений этой лопасти, располагающихся ближе к центру данного несущего винта. Для того чтобы обеспечить геометрическое смещение каждого элементарного поперечного сечения, рассчитываемого по отношению к эталонной хорде, следует добавить угол нулевой подъемной силы рассматриваемого профиля к углу аэродинамической крутки, как об этом подробно сказано в документе FR-A-2 689 852.
В случае уменьшения размеров хорды по направлению к корневой части лопасти, как это предлагается в данном изобретении, оказывается необходимым увеличить относительную толщину профиля лопасти до величины, превышающей 14% для того, чтобы сохранить некоторую жесткость лопасти такого типа на кручение на уровне, по меньшей мере эквивалентном жесткости на кручение обычных лопастей. Однако не следует доводить эту относительную толщину профиля до величины, превышающей 16%, с тем, чтобы исключить всякое ухудшение способности профиля лопасти к созданию подъемной силы и не допустить существенного увеличения лобового сопротивления лопасти.
Таким образом, относительная толщина профиля лопасти должна поддерживаться на уровне от 14 до 16% на той части лопасти, где хорда имеет относительно небольшую длину. Однако дальше элементарного поперечного сечения, располагающегося на уровне примерно 40% полного размаха данной лопасти, длина хорды становится достаточно большой и относительная толщина профиля может начать уменьшаться с тем, чтобы затормозить нежелательные эффекты, связанные со сжимаемостью воздуха.
Со стороны свободного конца лопасти следует минимизировать интенсивность скачков уплотнения в том случае, когда данная лопасть движется в направлении полета при полете с высокими поступательными скоростями. Форма лопасти в соответствии с предлагаемым изобретением использует такие профили элементарных поперечных сечений, относительная толщина которых не превышает 8% на уровне свободного конца данной лопасти. Однако эта относительная толщина профиля лопасти не должна быть уменьшена до величины менее 6% с тем, чтобы сохранить некоторую достаточную способность к созданию подъемной силы, которая остается необходимой в том случае, когда конец данной лопасти переходит в положение движения против направления полета данного летательного аппарата.
Между элементарным поперечным сечением, располагающимся на уровне 40% полного размаха данной лопасти, и свободным концом этой лопасти относительная толщина профиля будет уменьшаться практически линейным образом. Рассечения данной лопасти только на две зоны вполне достаточно для описания этого изменения относительной толщины профиля.
Как можно видеть на фиг. 6, закон изменения относительной толщины профилей элементарных поперечных сечений e/L может быть, таким образом, заключен между:
- некоторой нижней границей UVW, где упомянутые точки U, V и W имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу UVW, таковы, что:
где Ru, Rv и Rw представляют собой соответственно положение точек U, V и W вдоль лопасти;
- и некоторой верхней границей XYZ, где упомянутые точки X, Y и Z имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую границу XYZ, таковы, что:
где Rx, Ry и Rz представляют собой соответственно положение точек X, Y и Z вдоль лопасти.
Между упомянутой нижней границей UVW и упомянутой верхней границей XYZ некоторая предпочтительная кривая, как это показано на фиг. 6, образована точками К, L и М, которые имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для того, чтобы образовать упомянутую кривую KLM, таковы, что
где Rk, Rl и Rm представляют собой соответственно положение точек К, L и М вдоль лопасти.
Изобретение относится к области авиации. Лопасть подразделяется на четыре зоны, причем длина хорды каждого элементарного поперечного сечения в первой зоне возрастает линейным образом, во второй зоне остается максимальной и постоянной, в третьей зоне линейно уменьшается, а в четвертой зоне уменьшается в соответствии с парадолической функцией. Изобретение направлено на получение наилучших аэродинамических характеристик на больших скоростях. 9 з.п.ф-лы, 6 ил.
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы ABCDE, таковы, что:
где Ra, Rb, Rc, Rd и Re представляют собой соответственно положение точек А, В, С, D и Е вдоль лопасти;
и верхней границей FGHIJ, где точки F, G, Н, I и J имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для образования упомянутой границы FGHIJ, таковы, что:
где Rf, Rg, Rh, Ri и Rj представляют собой соответственно положение точек F, G, Н, I и J вдоль лопасти.
причем линии, соединяющие эти точки для образования кривой PQRST, таковы что:
где Rp, Rq, Rr, Rs и Rt представляют собой соответственно положение точек Р, Q, R, S и Т вдоль лопасти.
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы A'B'C'D'E', таковы, что:
где Ra', Rb', Rc', Rd' и Re' представляют собой соответственно положение точек А', В', С', D' и Е' вдоль лопасти,
и верхней границей F'G'H'I'J', где точки F', G', Н', I' и J' имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы F'G'H'I'J', таковы, что:
где Rf', Rg', Rh', Ri' и Rj' представляют собой соответственно положение точек F', G', Н', I' и J' вдоль лопасти.
причем линии, соединяющие эти точки для образования кривой P'Q'R'S'T', таковы, что:
где Rp', Rq', Rr', Rs' и Rt' представляют собой соответственно положение точек Р', Q', R', S' и Т' вдоль лопасти.
этой лопасти, а с другой стороны, смещения Y'f аэродинамического фокуса каждого элементарного поперечного сечения относительно оси изменения шага данной лопасти, обеспечивает точное позиционирование общего аэродинамического фокуса данной лопасти на оси изменения шага.
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы A"B"C"D"E", таковы, что:
где Ra", Rb", Rc", Rd" и Re" представляют собой соответственно положение точек А", В", С", D" и Е" вдоль лопасти; и верхней границей F"G"H"I"J", где точки F", G", Н", I" и J" имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы F"G"H"I"J", таковы, что:
где Rf", Rg", Rh", Ri" и Rj" представляют собой соответственно положение точек F", G", Н", I" и J" вдоль лопасти.
причем линии, соединяющие эти точки для образования кривой P"Q"R"S"T", таковы, что:
где Rp", Rq", Rr", Rs" и Rt" представляют собой соответственно положение точек Р", Q", R", S" и Т" вдоль лопасти.
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы UVM, таковы, что:
где Ru, Rv и Rw представляют собой соответственно положение точек U, V и W вдоль лопасти;
верхней границей XYZ, где точки X, Y и Z имеют следующие координаты:
причем линии, соединяющие эти точки для образования границы XYZ, таковы, что:
где Rx, Ry и Rz представляют собой соответственно положение точек X, Y и Z вдоль лопасти.
причем линии, соединяющие эти точки для образования кривой KLM, таковы, что:
где Rk, Rl, Rm представляют собой соответственно положение точек К, L и М вдоль данной лопасти.
| СЧИТЫВАЮЩИЙ УЗЕЛ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОРТИРОВКИ БАНКНОТ | 2016 |
|
RU2689852C1 |
| Пропеллер для самолета | 1928 |
|
SU12741A1 |
