УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ КОНТАКТОВ С ЛОПАСТЯМИ ВОЗДУШНОГО ВИНТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2004 года по МПК B64C27/02 B64C27/04 B64D45/00 

Изобретение относится к авиации, а более конкретно к защите лопастей воздушных винтов летательных аппаратов (ЛА), конструкция которых предполагает возможность соударения лопастей (при выходе величины их махового движения за заданные пределы) с элементами конструкции ЛА и/или с окружающими объектами, например с земной поверхностью.

К летательным аппаратам, у которых лопасти воздушных винтов при совершении ими маховых движений способны выходить из области заданных пределов махового движения лопастей, относятся, в частности, вертолеты, автожиры, а также комбинированные летательные аппараты, сочетающие в себе свойства тех и других. В связи с большой длиной и гибкостью лопастей винтов, подобных ЛА, а также в связи с особенностями их крепления, в процессе вращения винта на некоторых режимах его работы возможны маховые движения лопастей, выходящие за область предельных заданных положений лопастей. Такие движения лопастей чреваты механическими контактами (часто в виде соударений) движущихся с большой скоростью лопастей с такими элементами конструкции ЛА как, например, хвостовое оперение, хвостовая балка и т.п., а также с окружающими предметами, например с земной поверхностью. Результаты подобных контактов для пилотов часто заканчиваются трагически (см. статью “Пилоты разбившегося вертолета Ми-8 погибли еще в воздухе”, газета "Комсомольская правда" от 29 марта 2001 г.).

Известно устройство защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата (винтокрылой машины), содержащее защитный элемент в виде сетчатого короба с контактной поверхностью и средства его сопряжения с элементами конструкции летательного аппарата (см. патент РФ №2150410, кл. В 64 С 27/04, опубл. 06.10.2000 г.). Сетчатый короб образован радиальными штангами и кольцами, соединяющими штанги по периферии конструкции. Защитный элемент в виде короба предназначен для защиты воздушного винта от контактов с внешними объектами, например земной поверхностью. Контактная поверхность такого защитного элемента, т.е. поверхность, по которой осуществляется несанкционированный механический контакт защитного элемента с посторонними предметами, расположена на его внешней поверхности и, таким образом, обращена наружу от винта. Защита осуществляется путем исключения приближения лопастей винта ЛА к опасным предметам за счет наличия сетчатого короба, препятствующего приближению всего ЛА к этим (внешним по отношению к самому ЛА) предметам.

Недостатком известной конструкции является то, что она не обеспечивает защиту лопастей воздушных винтов, конструкция которых предполагает их маховое движение (например, при шарнирном, карданном или упругом креплении лопастей), от контактов с элементами конструкции летательного аппарата. Это обусловлено тем, что контакт вращающейся с большой окружной скоростью радиально расположенной лопасти воздушного винта при совершении ею махового движения с внутренней (т.е. обращенной к винту) поверхностью защитного элемента вызовет удар лопасти о радиальную штангу, образующую короб, что неизбежно приведет к повреждению одного из контактирующих объектов или к их взаимному повреждению.

Наиболее близким к заявленному является устройство защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата (винтокрылой машины), содержащее защитный элемент в виде сетчатого короба с контактной поверхностью и средства его сопряжения с элементами конструкции летательного аппарата (см. патент РФ №2152891, В 64 С 27/04, опубл. 20.07.2000 г.). Сетчатый короб образован радиальными штангами и кольцами, соединяющими штанги по периферии конструкции. Защитный элемент в виде короба предназначен для защиты воздушного винта от контактов с внешними объектами, например земной поверхностью. Контактная поверхность такого защитного элемента, т.е. поверхность, по которой осуществляется несанкционированный механический контакт защитного элемента с посторонними предметами, расположена на его внешней поверхности и, таким образом, обращена наружу от винта. Защита осуществляется путем исключения приближения лопастей винта ЛА к опасным предметам за счет наличия сетчатого короба, препятствующего приближению всего ЛА к этим (внешним по отношению к самому ЛА) предметам.

Недостатком известной конструкции является то, что она не обеспечивает защиту лопастей воздушных винтов, конструкция которых предполагает их маховое движение (например, при шарнирном, карданном или упругом креплении лопастей), от контактов с элементами конструкции летательного аппарата и /или с внешними предметами. Как и в предыдущей конструкции, это обусловлено тем, что контакт вращающейся с большой окружной скоростью радиально расположенной лопасти воздушного винта при совершении ею махового движения с внутренней (т.е. обращенной к винту) поверхностью защитного элемента вызовет удар лопасти о радиальную штангу, образующую короб, что неизбежно приведет к повреждению одного из контактирующих объектов или к их взаимному повреждению. Защита осуществляется путем исключения приближения лопастей винта ЛА к опасным предметам за счет наличия сетчатого короба, препятствующего приближению всего ЛА к этим предметам.

Предложенное устройство решает задачу обеспечения защиты лопастей воздушных винтов, конструкция которых предполагает их маховое движение, от контактов с элементами конструкции летательного аппарата или окружающими предметами. При этом одновременно достигается как предотвращение возможного повреждения лопастей воздушного винта, так и предотвращение возможного повреждения элементов летательного аппарата.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для защиты от контактов лопастей воздушного винта летательного аппарата, содержащем защитный элемент с контактной поверхностью и средства его сопряжения с элементами конструкции летательного аппарата, точки контактной поверхности защитного элемента лежат в пределах условного цилиндра, ось которого расположена в области расчетных положений оси вращения воздушного винта, а его поверхность описана вокруг области заданных положений лопастей воздушного винта, к которой обращена контактная поверхность защитного элемента, по меньшей мере, отдельные фрагменты которой выполнены гладкими в направлении окружного движения лопастей воздушного винта.

Указанный технический результат достигается также тем, что контактная поверхность защитного элемента выполнена плоской. При этом дополнительно достигается некоторое упрощение конструкции защитного элемента.

Указанный технический результат достигается также тем, что контактная поверхность защитного элемента выполнена выпуклой в сторону области заданных положений лопастей воздушного винта. При этом дополнительно достигается повышение эффективности защиты лопасти воздушного винта при больших значениях отклонений ее положения от заданных пределов при совершении махового движения.

Указанный технический результат достигается также тем, что контактная поверхность защитного элемента выполнена тороидальной или сфероидальной. При этом дополнительно достигается повышение эффективности защиты при сложной изгибной форме колебаний лопасти воздушного винта при его маховых движениях.

Указанный технический результат достигается также тем, что вершина контактной поверхности защитного элемента расположена за пределами области заданных положений лопастей винта.

Указанный технический результат достигается также тем, что вершина контактной поверхности защитного элемента расположена на границе области заданных положений лопастей винта. При этом дополнительно достигается возможность информирования пилота ЛА о подходе к режимам полета или режимам управления ЛА, при которых лопасти воздушного винта при своих маховых движениях выходят за пределы области заданных положений лопастей воздушного винта.

На чертежах показана конструкция устройства для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата.

На фиг.1 показан общий вид летательного аппарата (автожира) с установленным на нем устройством для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата (вид сбоку).

На фиг.2 показана хвостовая часть летательного аппарата (автожира) с установленным на нем устройством для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата (вид сверху).

На фиг.3 показана хвостовая часть летательного аппарата (автожира) с установленным на нем устройством для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата (вид сверху) для случая выполнения защитного элемента составным.

На фиг.4 показан фрагмент хвостового оперения ЛА (показанного на фиг.2) с установленным на нем устройством для защиты в соответствии с предлагаемым изобретением, в котором защитный элемент выполнен с отгибом (вид спереди).

На фиг.5 показаны примеры размещения защитного элемента сфероидальной формы в случае, когда вершина его контактной поверхности расположена за пределами области 13 заданных положений лопастей воздушного винта 2 и на границе указанной области (вид спереди).

На фиг.6 показан пример выполнения заявленного устройства при его установке на двухкилевом хвостовом оперении ЛА (вид спереди, хвостовая балка рассечена).

Устройство для защиты от контактов лопастей 1 воздушного винта 2 летательного аппарата 3 (преимущественно автожира), см. фиг.1, 2, содержит защитный элемент 4 с контактной поверхностью 5 и средства 6 его сопряжения с элементами конструкции летательного аппарата 3 (далее ЛА), например с элементами хвостового оперения 7 ЛА. В качестве таких средств могут выступать, например, установочная поверхность под клеевое соединение, или отверстие и установочная поверхность под болтовое соединение, или иные известные средства механического крепления. Точки контактной поверхности 5 защитного элемента 4 лежат в пределах условного цилиндра 8, ось 9 которого расположена в области 10 расчетных положений оси 11 вращения воздушного винта 2. При этом поверхность 12 условного цилиндра 8 описана вокруг области 13 заданных положений лопастей воздушного винта. Защитный элемент 4 устанавливается посредством средств 6 сопряжения на той части конструкции ЛА, для которой существует вероятность контакта с ней лопастей 1 воздушного винта 2 во время совершения лопастями 1 маховых движений и выхода их за пределы области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2 (в приведенном примере - на хвостовом оперении ЛА). Контактная поверхность 5 защитного элемента 4 ориентируется в пространстве таким образом, чтобы она была обращена в сторону области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2 (фиг.1). При этом положение защитного элемента 4 выбирают таким образом, чтобы была минимальной сумма расстояний от точек его контактной поверхности 5 до близлежащих к ним точек области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2 для произвольного заданного минимального расстояния от контактной поверхности 5 до области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2.

Контактная поверхность 5 защитного элемента 4 выполнена гладкой или, по меньшей мере, отдельные ее фрагменты 14 (сектора, сегменты и т.п.) выполнены гладкими в направлении 15 окружного движения лопастей 1 воздушного винта 2. В последнем случае защитный элемент 4 может быть выполнен составным, например, с целью уменьшения его веса. Составной защитный элемент выполняется из отдельных, расположенных на требуемом уровне и продольно ориентированных в направлении 15 окружного движения лопастей 1, фрагментов (например, полос) (фиг.3). Контактные поверхности упомянутых фрагментов, т.е. поверхности, обладающие возможностью контакта (соприкосновения) с лопастями 1 воздушного винта 2, в совокупности образуют общую (например, наборную) контактную поверхность защитного элемента.

Простейшая (по конструктивному выполнению) форма контактной поверхности 5 защитного элемента 4 - это плоская поверхность (фиг.1 и 2). При этом начальный (по направлению движения винта) участок контактной поверхности 5 целесообразно снабдить плавным отгибом по направлению от области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта (см. фиг.4). Величина (длина) отгиба начального участка контактной поверхности 5 подбирается такой, чтобы обеспечить отражение (гашение) ударов лопасти 1 в случае ее подхода к контактной поверхности 5 из любого возможного ее положения.

Контактная поверхность 5 защитного элемента 4 может быть выполнена криволинейной и выпуклой в сторону области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2. При этом, если криволинейность поверхности имеет место, по меньшей мере, в направлении 15 окружного движения лопастей 1 воздушного винта 2 (форма поверхности цилиндрическая или близкая к ней), то эта форма эффективна при больших значениях отклонений положения лопасти винта от заданных пределов при совершении ею махового движения.

Контактная поверхность 5 защитного элемента 4 может быть выполнена сфероидальной формы (см. фиг.5). В таком случае контактная поверхность является криволинейной как в направлении 15 окружного движения лопастей 1 воздушного винта 2, так и в перпендикулярном направлении. При этом дополнительно достигается повышение эффективности защиты при сложной изгибной форме колебаний лопасти 1 воздушного винта 2, возникающих во время ее маховых движений. Аналогичными свойствами обладает тороидальная контактная поверхность, преимущественно имеющая форму экваториальной области тора. Вершина 16 контактной поверхности 5 защитного элемента 4 может быть расположена как за пределами области 13 заданных положений лопастей воздушного винта 2 (положение защитного элемента, показанное на фиг.5, справа), так и на границе этой области (положение защитного элемента, показанное на фиг.5, слева). В последнем случае дополнительно достигается возможность информирования пилота ЛА о подходе к режимам полета или режимам управления ЛА, при которых лопасти воздушного винта 2 при своих маховых движениях могут выйти за пределы области 13 их заданных положений. Под вершиной 16 контактной поверхности 5 здесь понимается ее точка, наименее удаленная от области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2.

При установке заявленного устройства на двухкилевом хвостовом оперении 7 ЛА, например, автожира защитный элемент 4 может быть выполнен в виде балки, предпочтительно изогнутой, прикрепленной к концам килей, предпочтительно верхним, как показано на фиг.6. В этом случае упругость балки, как и при любой иной форме выполнения защитного элемента 4, подбирается или рассчитывается так, чтобы она воспринимала и гасила скользящие удары лопастей 1, не приводя к их повреждению и не повреждаясь сама. Концы балки целесообразно выполнить выступающими за пределы двухкилевого хвостового оперения 7, расширив тем самым зону его защиты.

Устройство для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата работает следующим образом.

При работе лопасти 1 воздушного винта 2 ЛА 3 (например, автожира) совершают вращательное движение вокруг оси 11. Под действием управляющих воздействий пилота ЛА 3 при взлете, при посадке или при пилотировании по траектории, а также под действием учитываемых внешних факторов, таких как порывы ветра, восходящие или нисходящие воздушные потоки и т.п., лопасти 1 не обязательно постоянно находятся в какой-либо одной плоскости вращения, в которой они находились бы при отсутствии внешних или внутренних возмущений. В силу своей гибкости и большой длины, а также в связи с особенностями их крепления лопасти 1 могут совершать различные движения, связанные с их изгибными колебаниями. Одним из видов таких колебаний являются маховые движения лопастей 1, при которых одна из составляющих вектора их движения направлена перпендикулярно к плоскости вращения винта, в которой лопасти находились бы при отсутствии колебаний. Более подробно причины маховых движений лопастей винтокрылых машин описаны в книге Загордан А.М. Элементарная теория вертолета. - М.: Военное издательство министерства обороны Союза ССР, 1955 г.

В нормальном режиме работы винта при любых видах колебаний лопастей 1 они продолжают оставаться в области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2. В этом режиме лопасти в процессе своего движения либо вообще не взаимодействуют с контактной поверхностью 5 защитного элемента 4, либо взаимодействуют в своем движении, только выходя на границу области заданных положений лопастей винта. Первый случай имеет место при таком размещении защитного элемента 4, когда вершина 16 криволинейной контактной поверхности защитного элемента расположена за пределами области 13 заданных положений лопастей винта. Второй случай имеет место при таком размещении защитного элемента 4, когда вершина 16 криволинейной контактной поверхности защитного элемента расположена на границе области 13 заданных положений лопастей винта. В этом случае периодические соприкосновения (соударения) лопастей 1 с контактной поверхностью 5 защитного элемента 4 воспринимаются, например, акустическим анализатором пилота (его слуховым аппаратом) или тактильным анализатором (рукой) пилота через ручку управления, чем достигается возможность информирования пилота ЛА о подходе к режимам полета или режимам управления ЛА, при которых лопасти воздушного винта 2 при своих маховых движениях выходят на границу области 13 их заданных положений и могут выйти за ее пределы.

На нерасчетных режимах несущего винта или при нерасчетных внешних и внутренних воздействиях на лопасти 1 последние при совершении вышеописанных маховых движений выходят за пределы области 13 заданных положений лопастей 1 воздушного винта 2. При этом они остаются в пределах цилиндра, ось которого расположена в области расчетных положений оси вращения воздушного винта, а его поверхность описана вокруг области заданных положений лопастей воздушного винта. Поскольку контактная поверхность 5 защитного элемента 4 обращена к области 13, по мере возрастания амплитуд маховых движений происходит вначале касание, а затем и скользящее соударение лопастей 1 с контактной поверхностью 5 защитного элемента 4. Благодаря упругим свойствам защитного элемента 4 и лопасти винта происходит частичное перераспределение энергии ударов (кинетическая энергия движения переходит в потенциальную энергию упругих сил) в сочетании с одновременным “отражением” движения ударяющей лопасти.

Благодаря использованию предложенной конструкции устройство для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата, кроме основной функции - защиты от взаимных (часто катастрофических) контактов лопастей 1 воздушного винта 2 с элементами конструкции ЛА - выполняет еще две дополнительные функции. Во-первых, оно акустически сигнализирует членам экипажа о выходе лопастей винта на границу области 13 их заданных положений (при соответствующем выборе положения контактной поверхности 5 относительно указанной области), а во-вторых, позволяет предотвратить опасные напряжения в конструктивных элементах воздушного винта и всего ЛА за счет ограничения амплитуды маховых движений.

Изобретение относится к области авиации и может быть использовано на летательных аппаратах (ЛА), конструкция которых предполагает возможность соударения лопастей при выходе величины их махового движения за заданные пределы с элементами конструкции ЛА и/или с окружающими объектами, например с земной поверхностью. Устройство содержит защитный элемент с контактной поверхностью и средства его сопряжения с элементами конструкции летательного аппарата. При этом точки контактной поверхности защитного элемента лежат в пределах условного цилиндра, ось которого расположена в области расчетных положений оси вращения воздушного винта, а его поверхность описана вокруг области заданных положений лопастей воздушного винта, к которой обращена контактная поверхность защитного элемента, по меньшей мере, отдельные фрагменты которой выполнены гладкими в направлении окружного движения лопастей воздушного винта. Контактная поверхность защитного элемента может быть выполнена плоской или выпуклой в сторону области заданных положений лопастей воздушного винта, а также тороидальной или сфероидальной. Вершина контактной поверхности защитного элемента может быть расположена за пределами области заданных положений лопастей винта или на ее границе. Изобретение позволяет одновременно предотвращать повреждения как элементов летательного аппарата, так и лопастей воздушного винта. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для защиты от контактов с лопастями воздушного винта летательного аппарата, содержащее защитный элемент с контактной поверхностью и средства его сопряжения с элементами конструкции летательного аппарата, отличающееся тем, что точки контактной поверхности защитного элемента лежат в пределах условного цилиндра, ось которого расположена в области расчетных положений оси вращения воздушного винта, а его поверхность описана вокруг области заданных положений лопастей воздушного винта, к которой обращена контактная поверхность защитного элемента, по меньшей мере отдельные фрагменты которой выполнены гладкими в направлении окружного движения лопастей воздушного винта.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контактная поверхность защитного элемента выполнена плоской.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контактная поверхность защитного элемента выполнена выпуклой в сторону области заданных положений лопастей воздушного винта.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что контактная поверхность защитного элемента выполнена тороидальной или сфероидальной.5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что вершина контактной поверхности защитного элемента расположена за пределами области заданных положений лопастей винта.6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что вершина контактной поверхности защитного элемента расположена на границе области заданных положений лопастей винта.