Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета Российский патент 2023 года по МПК B64C27/82 B64C27/06 

Изобретение относится к области авиации в отрасли вертолетостроения, авиационной технике, а именно к устройствам компенсации реактивного момента несущего винта вертолета, к конструкциям рулевых винтов, служащих для компенсации реактивного момента несущего винта и путевого управления вертолетом.

Известно, что вертолеты содержат фюзеляж, несущий винт, установленный на верхней центральной части фюзеляжа, и рулевой хвостовой винт на килевой балке с килем для компенсации крутящего момента, передаваемого от несущего винта к фюзеляжу.

Среди вертолетов одновинтовой схемы с механическим приводом несущего винта наибольшее количество составляют аппараты с рулевым винтом в качестве средства обеспечения путевой балансировки и управления. Рулевой винт, имеющий поперечную ось, располагают на конце длинной хвостовой балки. Эту схему называют (классической), поскольку она нашла наибольшее применение на практике благодаря своим достоинствам. Эффективность вертолетов, построенных по подобной схеме, высока для всех классов вертолетов.

Известна так же система без хвостового винта по патенту US №4948068 (заменяющая хвостовой винт) - система типа NOTAR вертолета MD-600N заимствована с зарекомендовавшей себя системы вертолета MD-520N. Принцип работы системы NOTAR предельно простой. Она состоит из встроенного вентилятора, хвостовой балки с управляемой циркуляцией; створки управления вектором тяги и горизонтального стабилизатора с двумя управляемыми килями. Туннельный вентилятор в системе NOTAR имеет 13 лопаток изменяемого угла установки и привод от трансмиссии НВ через повышающий редуктор. Угол установки лопаток вентилятора управляется пилотом педалями. Вентилятор подает воздушный поток низкого давления в хвостовую балку, частично, образующий циркуляцию через щели в балке. Основной выдув через поворотную створку обеспечивает компенсацию крутящего момента и управление по курсу. Направленная циркуляция воздушного потока в хвостовой балке действует как вертикальная аэродинамическая поверхность, создающая подъемную силу, противодействующую крутящему моменту НВ при висении. Подъемная сила создается за счет НВ, направляющего воздушный поток на правую часть балки (компенсирующую крутящий момент благодаря воздуху, выходящему из щелей.). Вентилятор NOTAR обеспечивает выдув приблизительно постоянного расхода из щелей на всех режимах полета. Боковая сила парирования крутящего момента, создаваемая циркуляцией хвостовой балки, прямо пропорциональна крутящему моменту: при большом крутящем моменте от НВ подается больший объем воздушного потока, приводящий к увеличению парирующего эффекта. При меньшем крутящем моменте выдув невелик и хвостовая балка создает меньший парирующий эффект. Стабилизатор на MD-600N имеет фиксированный угол установки и расположен над хвостовой балкой, перед поворотной створкой. На каждом конце стабилизатора располагается вертикальный киль. Правый и левый киль соединены с педалями управления. Отклоняясь на угол примерно 30 градусов, кили обеспечивают управление курсом в прямолинейном полете. Они дополнительно разгружают поворотную створку в прямолинейном полете, что обеспечивает оптимальную управляемость.

Поворотная створка располагается в задней части хвостовой балки и состоит из внешнего цилиндра с вырезанным сектором, вращающегося вокруг внутреннего цилиндра. Внутренний цилиндр имеет фиксированные лопатки, при совпадении с которыми вырезанный сектор внешнего цилиндра регулирует объем и направление выдува воздушного потока из балки. Изменяемый суммарный вектор тяги от струй выдува создает дополнительный парирующий эффект и управление курсом.

При этом крутящий момент компенсируется 80% хвостовой балкой с щелями и 20% хвостовой «бочкой». Основным преимуществом данной системы является отсутствие хвостового рулевого винта и как следствие низкий акустический шум.

Недостатком является то, что увеличивается потребная мощность для привода вентилятора и преодоление потерь при выдуве и распределении потока воздуха. При низкой скорости полета вертолет становится очень чувствительным по курсовым углам из-за снижения эффективности работы килей, при боковом ветре с углов в 80…190 градусов. Результаты расчетных и экспериментальных данных, полученных на летающей лаборатории, на базе вертолета Ка-26, изложенные в докладе С.В. Михеева и Э.А. Петросяна на конференции ЦАГИ в 1987 г., показали высокую энергозатратность работы струйного устройства порядка 2-25% от мощности двигателей на основных режимах полета. Кроме того, в ходе летных исследований выявились проблемы, обусловленные нестабильностью характеристик суперциркуляционного обтекания хвостовой балки и как следствие - недостаточности управляемости вертолета.

Основной недостаток системы NOTAR - он боится пыли. Подвижные части соплового аппарата могут заедать. Это ограничивает использование вертолета в пустынях и на площадках с высокой растительностью и кустарниками.

Среди получивших распространение систем обеспечения путевой балансировки и управления применяются винт в кольце (или фенестрон). Фенестрон представляет собой винт в профилированном кольцевом канале с поперечной осью. На режиме висения реакция вертолета на дачу педалей становится несимметричной, однако это малозаметно. Впервые применен на вертолете французского производства SA-341 "Gazelle", совершившем первый полет в апреле 1968 года.

Известен рулевой винт вертолета, установленный в туннеле по патенту RU 2538497 С1, заявка 2013153401/11 от 03.12.2013. Рулевой винт создает силу тяги, необходимую для компенсации крутящего момента несущего винта и путевого управления вертолетом.

Рулевой винт вертолета установленный в туннеле, который имеет профилированную входную, цилиндрическую и выходную части, состоящий из статора, внутри которого закреплен редуктор с входным валом и выходным валом, на котором установлена втулка с закрепленными на ней лопастями, неподвижных лопаток спрямляющего аппарата, установленных наклонно к поверхности туннеля и закрепленных одним концом на поверхности цилиндрической части туннеля, а другим на статоре, содержит двенадцать лопастей, установленных в два ряда, таким образом, что второй ряд лопастей расположен в цилиндрической части туннеля на определенном расстоянии от первого ряда, с определенными угловые расстояния между ближайшими лопастями. Опоры лопаток спрямляющего аппарата на цилиндрической поверхности туннеля расположены симметрично относительно оси входного вала, а крепление каждой из лопаток к статору смещено по отношению крепления той же лопатки к поверхности туннеля в направлении по часовой стрелке со стороны профилированной входной части туннеля. Этим достигается снижение шума от рулевого винта.

Подобная система имеет высокую чувствительность к величине зазора между концами лопастей и внутренней поверхностью туннеля. С увеличением зазора резко падает коэффициент полезного действия устройства. Данное устройство имеет более высокий уровень шума по сравнению с классическим рулевым винтом. Одна из причин этого заключается во взаимодействии лопастей винта с внутренней поверхностью туннеля устройства. Это взаимодействие приводит к возникновению переменного давления на стенках туннеля. Эта же причина приводит к появлению дополнительных по сравнению с классическим рулевым винтом вибраций на фюзеляже. Центробежные силы вращающихся лопастей неуравновешены. Суммарная, вращающаяся вместе с лопастями, неуравновешенная центробежная сила передается на хвостовую часть вертолета.

Известно так же «Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета», описанное в патенте RU 2263609 С1 (заявка 2004109707/11, 01.04.2004).

Устройство содержит винт с несколькими лопастями, установленными в туннеле хвостового киля вертолета, привод и систему управления лопастями винта. На концы лопастей установлено кольцо, соединенное с ними с возможностью радиального перемещения кольца относительно лопастей и изменения угла установки лопастей. Для обеспечения плавности течения воздуха в туннеле, контур кольца профилирован соответствующим образом.

К основным недостаткам подобной системы следует отнести:

- сложность конструкции и обслуживания, большую массу;

- на режиме висения потребная мощность составляет не менее 12.5% от мощности, потребной для привода несущего винта. При разворотах на висении, особенно на статическом потолке, и режимах вертикального подъема затраты могут составлять 16-20% и более;

- при увеличении нагрузки на несущий винт значительно увеличивается размер фенестрона. Следовательно, применение фенестрона эффективно на легких и средних вертолетах массой до 5 тонн. А на малых скоростях полета фенестрон уступает рулевому винту по энергетическому совершенству, что уменьшает статический потолок и вертикальную скороподъемность вертолета;

- невозможность компенсации вектором тяги большой инерционности хвостовой части фюзеляжа вертолета.

Известен рулевой винт вертолета, который имеет изменяемый шаг винта, лопасти которого одновременно изменяют шаг винта для корректировки положения хвостовой балки вертолета.

В патентных документах США №№2,387,617 и 2010/012309 описаны вертолеты с рулевым винтом, снабженными лопастями с фиксированным углом наклона и приводимыми во вращение электродвигателем. В патентном документе США №8,464,980 описано использование электродвигателя для вращения приводного вала рулевого винта. В патентном документе США №2009/0140095 описано использование электродвигателя для вращения рулевого винта вертолета. В патентном документе США №2013/0264412 описано использование электродвигателя для вращения приводного вала и использование регулирующих средств, функционально расположенных между электродвигателем и рулевым винтом и предназначенных для регулирования углов установки лопастей рулевого винта. Указанные регулирующие средства содержат блок памяти и вычислительный блок.

Вместе с тем, рулевой винт обладает рядом серьезных недостатков. В вертолете угол атаки рулевого винта меняется, и меняется тяга всего диска ометаемого лопастями винта. При переходе через нулевой угол атаки импульс от тяги винта сдвигает хвостовую балку до того момента, пока не произойдет изменение угла атаки в другую сторону и не появится обратная тяга, сдвигающая хвостовую балку в другую сторону. При нулевом угле атаки лопастей рулевого винта диск винта превращается в поверхность, на которую воздействует ветровая нагрузка, приводящая к сносу, повороту хвостовой балки, при неподвижной ручке управления в руках пилота.

Затраты мощности для парирования реактивного момента несущего винта составляют 8-11% мощности, потребной для вращения несущего винта на режиме висения. При разворотах на висении, особенно на статическом потолке, и режимах вертикального подъема затраты могут составлять 16-20% и более. При этом нижней границе диапазона соответствует меньшее значение нагрузки на диск рулевого винта, что приводит к росту его диаметра и значительному увеличению его массы.

Как известно, рулевой винт является источником звуковых колебаний. Создаваемая рулевым винтом тяга мала по сравнению с аналогичной для несущего винта, однако частота создаваемых им колебаний выше. Человеческое ухо более восприимчиво к высокочастотным колебаниям. Поэтому уменьшение шума, создаваемого рулевым винтом, становится одной из главных задач при снижении общего уровня шума.

Недостатком аналогов является невозможность компенсации вектором тяги большой инерционности хвостовой части фюзеляжа вертолета с рулевым винтом. Вектор тяги рулевого винта вертолета всегда направлен в одну сторону или равен нулю, но в этот момент, когда происходит смена вектора тяги рулевого винта, хвостовая часть продолжает движение по инерции или дополнительно под действием реактивного момента несущего винта вертолета. И при смене вектора тяги рулевого винта сначала необходимо компенсировать инерционное движение хвостовой части, а уже потом остановить хвостовую часть в необходимом положении, что приводит опять к смене направления инерционного движения хвостовой части вертолета.

Для более точного регулирования необходима частая смена направления вектора тяги рулевого винта, а когда хвостовая часть вертолета установлена в нужном положении, любое возмущающее воздействие, к примеру, такие как увеличение инерционного момента, порыв бокового ветра, наклон фюзеляжа вертолета, ее смещает, поскольку тяга рулевого винта мала, компенсирует только инерционный момент и направлена в одну сторону.

Рулевой винт является источником периодических возбуждений, передаваемых на конструкцию. Нагружение рулевого винта отличается существенной не стационарностью воздействия внешних сил, что обусловлено влиянием периодических пульсаций вихревой пелены от несущего винта.

В настоящее время не существует расчетных методов, способных с достаточной долей точности рассчитать условия нагружения рулевого винта. Все это уменьшает срок службы рулевого винта и элементов трансмиссии. При увеличении удельной нагрузки на несущий винт относительный размер рулевого винта увеличивается, что приводит к росту массы всей системы компенсации вращающего момента и удержания хвостовой балки в нужном направлении.

Таким образом, в данной отрасли существует необходимость в рулевом винте вертолета, характеризующееся высокой эффективностью, поскольку необходима максимизация, насколько это возможно, точности и воспроизводимости регулирования углов установки лопастей для улучшения управления рулевым винтом, и маневренности вертолета в целом.

В качестве прототипа выбрано изобретение «Вертолет с одним несущим винтом и способ компенсации реактивного момента несущего винта одновинтового вертолета». Подача заявки: 1993-04-13 публикация патента: 10.08.1997. По данному изобретению предложен вертолет с одним несущим винтом, содержащий систему компенсации реактивного момента несущего винта, включающую хвостовой винт, приводимый во вращение тем же средством, что и несущий винт, систему управления хвостовым винтом и по меньшей мере одну управляемую аэродинамическую поверхность направления. При этом вертолет снабжен средствами для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления в зависимости от угла общего шага несущего винта и скорости поступательного горизонтального движения вертолета.

Вертолет по данному предложению, содержит систему компенсации реактивного момента несущего винта, включающую хвостовой винт, приводимый во вращение тем же, что и несущий винт, средством, систему управления хвостовым винтом и по меньшей мере одну управляемую аэродинамическую поверхность направления, выполненную с возможностью поворота и образования в результате этого поперечной аэродинамической силы, компенсирующей реактивный момент несущего винта, и дополнительно он снабжен средствами для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления в зависимости от угла общего шага несущего винта и скорости поступательного горизонтального движения вертолета.

Средства для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления и система управления хвостовым винтом выполнены с возможностью их раздельного функционирования и выполнены с возможностью функциональной связи между ними.

Эта функциональная связь, соединяющая между собой средства для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления и системы управления хвостовым винтом, выполнена с возможностью измерения наряду с величиной общего шага несущего винта и скорости поступательного горизонтального движения также и других параметров, таких, как угловая скорость рысканья, коэффициент боковой перегрузки, плотность воздуха, углов курса, тангажа и крена, а также текущего значения шага хвостового винта для получения с учетом изменения этих параметров углов поворота аэродинамической поверхности направления и оптимального угла шага хвостового винта. Аэродинамическая поверхность направления может быть выполнена в виде закрылка киля.

Основным недостатком рулевого винта является то, что рулевой винт обладает небольшим запасом по срыву, а ко всему прочему, работает на околосрывных режимах в условиях эксплуатации на предельных высотах с максимальной нагрузкой. Предельная скорость установившегося разворота на висении определяется параметрами нагружения рулевого винта. Увеличение заполнения рулевого винта ведет к значительному росту нагрузки в системе управления. Рост окружной скорости приводит к существенному увеличению шума, создаваемого рулевым винтом.

В статье Семенович А.Н. в журнале «Вертолетная индустрия» за апрель 2008 года «Попасть на вращение» впервые обнародованы увеличивающиеся потери одновинтовых вертолетов из-за случаев «непроизвольных, неуправляемых « левых вращений на режимах близких к висениям. Одновинтовой вертолет начинает неуправляемо вращаться влево только тогда, полная правая педаль не может остановить (парировать) это движение. В большинстве случаев это происходит из-за образования на хвостовом винте вихревого кольца по своей физике точно подобного вихревому кольцу (т.е. воздушному вихревому тору) на несущем винте, только в перпендикулярной по отношению к несущему винту плоскости. В этом случае, мощность, потребляемая хвостовым винтом, уходит на создание силы и момента против вращения фюзеляжа, как реакции на прилагаемые к нему усилия двигателей, а на вращение массы воздуха в кольцевом торе и поэтому ее не хватает собственно для путевого управления.

На многих американских конструкциях конструктивно завалена плоскость вращения рулевого винта на весьма заметное число градусов, для предотвращения образования вихревого кольца на хвостовом рулевом винте вертолета.

На режиме обдувки справа или развороте влево для несущего винта левого вращения вертолет становится статически неустойчивым, так как потребный для равновесия шаг рулевого винта увеличивается, особенно для рулевого винта с движением нижней лопасти назад. При этом потребное значение угла установки лопастей рулевого винта может достигнуть предельных значений при большой боковой скорости. Такая особенность поведения рулевого винта обусловлена влиянием на рулевой винт вихревой пелены от несущего винта. При этом перемещения педалей путевого управления требуют увеличения угла установки рулевого винта, что является обратной реакцией по отношению к естественному уменьшению угла установки на этих режимах.

Влияние этого явления будет тем сильнее, чем больше нагрузка на несущий винт. Кроме того, подобная путевая неустойчивость проявляется в различной угловой скорости вертолета при развороте с постоянным положением педалей в зависимости от угла скольжения. В целом выполнение разворотов на висении в условиях ветра заметно усложняется по сравнению со штилем.

Существуют достаточно жесткие летные ограничения по угловой скорости разворота вертолета на висении, определяемой темпом отклонения педалей, а по существу - скоростью изменения шага рулевого винта, а также угловой скоростью рыскания. Они обусловлены неблагоприятным для динамической прочности и ресурса лопастей возрастанием нагружения рулевого винта. Развороты одновинтового вертолета на висении разрешается выполнять с угловой скоростью 10-20 градусов в секунду, причем большие цифры соответствуют вертолетам типа Ми-2. Для вертолета Ми-34 предельная скорость разворота составляет около 60 град/сек. Соответственно отклонения педалей в сторону разворота должны быть плавными, а при изменении направления вращения не следует допускать полного перемещения педалей быстрее, чем за 3 секунды.

Поэтому развороты в любую сторону на любой угол с предельно допустимой скоростью разрешены только при скорости приземного ветра не более 5 м/сек.

Недостатком вертолета с рулевым винтом является также существенная зависимость балансировочного положения педалей путевого управления от режимов полета, а значит и положений рычагов управления общим и циклическим шагом. На переходных режимах полета это требует постоянных компенсирующих перемещений органами управления, в частности, педалей рулевого винта, что утомляет пилота. Перекрестные связи в различных каналах управления существенно усложняют управление.

Исследования, проведенные армией США, показали, что рулевые винты являются причиной 10% инцидентов на вертолетах. Во время боевых действий во Вьетнаме армия США потеряла 256 вертолетов из-за выхода из строя рулевого винта при задевании за различные препятствия или поломке трансмиссионного вала. Кроме того, наличие рулевого винта повышает опасность для наземного персонала, уязвимость и массу конструкции, затрудняет обслуживание, уменьшает живучесть, осложняет продольную центровку и компоновку.

Целью данного изобретения является создание устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета, выполненного с удовлетворением требования иметь вектор тяги устройства компенсации направленный в противоположные стороны. Предлагаемое устройство имеет постоянный вектор тяги для компенсации реактивного момента от несущего винта, а поддержание заданного положения хвостовой части фюзеляжа вертолета обеспечивается соотношением противоположно-направленных векторов тяги от устройства компенсации реактивного момента. В направлении компенсации реактивного момента несущего винта вектор тяги имеет запас и превосходит вектор тяги устройства в противоположном направлении, что позволяет обеспечивать путевую управляемость.

Технической задачей предлагаемого изобретения является: увеличение управляемости вертолета, обеспечение надежной компенсации реактивного момента несущего винта вертолета, уменьшение энергетических затрат на привод устройства компенсации, увеличение коэффициента полезного действия, снижение нагрузки на устройство компенсации, эффективное управление заполнением плоскости диска винта для создания вектора тяги устройства компенсации реактивного момента несущего винта, снижение скорости вращения лопастей рулевого винта устройства компенсации реактивного момента, снижение уровня шума, уменьшение вибраций и увеличение ресурса устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.

Технический результат изобретения достигается тем, что известное устройство, компенсации реактивного момента несущего винта вертолета содержит два винта с несколькими лопастями, оси вращения которых установлены под углом друг к другу, так, что диски лопастей пересекаются и образуют единую зону дискового пространства винтов. Винты имеют синхронизированный привод и систему управления винтами. Конструктивное устройство и кинематическая схема привода винтов аналогична приводу несущих винтов синхрокоптера, только оси винтов не вертикальны, а горизонтальны.

Диски вращения винтов образуют три зоны. Винты имеют разные функциональные задачи. Основной винт имеет основную задачу в части компенсации реактивного момента несущего винта вертолета и задачу обеспечения управляемости, другой вспомогательный винт имеет задачу обеспечения управляемости и увеличения тяги для компенсации реактивного момента совместно с первым винтом. Диск вращения лопастей основного винта установлен параллельно оси хвостовой балки вертолета и создает вектор тяги касательный к ометаемой окружности хвостовой балки вертолета.

Вспомогательный винт соответственно установлен под углом и имеет составляющую вектора тяги направленную в направлении к носовой части вертолета. Синхронизация привода лопастей основного и вспомогательного винтов позволяет обеспечивать управляемость и увеличение тяги для компенсации реактивного момента, за счет управления углом установки лопастей винтов, а поскольку лопасти винтов управляются от автоматов перекоса, как на несущем винте вертолета, то даже в объединенном диске винтов, лопасти имеют разный угол установки и соответственно разную величину тяги винта. При этом лопасти основного и вспомогательного винта, за пределами объединенного диска могут иметь другой угол установки лопастей и создавать вектор тяги противоположного направления.

Дополнительно устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета имеет одну управляемую аэродинамическую поверхность направления, выполненную с возможностью поворота и образования в результате этого поперечной аэродинамической силы, компенсирующей реактивный момент несущего винта.

Аэродинамическая поверхность отклоняет воздушный поток от несущего винта, который не воздействует в поперечном направлении на поток от рулевых винтов, а направляется в разных направлениях, что создает дополнительный компенсирующий момент. Для управления устройство снабжено средствами, для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления, в зависимости от угла общего шага несущего винта и скорости поступательного горизонтального движения вертолета.

Средства для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления и система управления хвостовыми винтами устройства выполнены с возможностью их раздельного функционирования и выполнены с возможностью функциональной связи между ними.

В предлагаемом техническом решении, управление от разных механизмов изменения шага позволяет создавать вектор тяги различной величины и направления на разных частях диска винта из-за наличия автомата перекоса. В объединенном диске винта лопасти могут создавать разный вектор тяги по величине и по направлению, что позволяет более плавно изменять общий вектор тяги или его удваивать.

Величина вектора тяги для компенсации реактивного момента несущего винта меняется в зависимости от скорости вращения несущего винта. Для обеспечения путевого управления и улучшения управляемости, вектора тяги частей диска винта могут складываться и иметь одинаковую величину или разную в зависимости от угла установки лопастей. Наличие двух винтов позволяет снизить скорость вращения винтов и уменьшить шум устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.

Управление сводится к плавному увеличению вектора тяги одного винта при одновременном уменьшении вектора тяги другого винта. Это позволяет быстрее реагировать на возмущающие воздействия (порывы ветра, увеличение скорости вращения несущего винта) и предотвратить инерционный вынос хвостовой балки вертолета.

Лопасти каждого винта управляются отдельными автоматами перекоса с электронно-управляемыми механизмами. Автоматы перекоса завизированы в определенном положении и меняют угол лопастей с положительного на отрицательный при переходе лопасти через вертикаль, проходящую через центр диска винта. Это делит диск винта на две части, на которых может создаваться разнонаправленный вектор тяги.

Для управления электронно-управляемыми механизмами автоматами перекоса винтов присутствует блок автоматического управления, который воспринимает сигналы: с одной стороны от педалей и ручки управления в кабине пилота, а с другой стороны от датчиков скорости движения хвостовой балки всего вертолета относительно оси вращения несущего винта, скорости вращения несущего винта, и от датчиков скорости вращения лопастей винта устройства компенсации реактивного момента, от датчиков положения угла установки лопастей основного и вспомогательного винта устройства компенсации.

Для выработки управляющих сигналов, пропорциональных положению педалей с требуемой скоростью углового перемещения киля хвостовой балки вертолета, блок автоматического управления обрабатывает сигналы от всех датчиков и рассчитывает требуемые сигналы управления для автоматов перекоса, которые изменяют углы установки лопастей в винтах.

Управляющие сигналы меняются для корректировки положения хвостовой балки вертолета. Тяга отдельных винтов и частей дисков винтов устройства различная для компенсации внешнего воздействия.

При автоматическом управлении углы атаки могут складываться для увеличения импульса тяги и резко разделяться на противоположные в зависимости от скорости перемещения ручки управления, скорости перемещения хвостовой балки. Вырабатывается и устанавливается связь между скоростью перемещения ручки управления и величиной и направлением тяги рулевых винтов устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.

При увеличении числа лопастей возможно двухрядное размещение дисков винтов с приводом редукторов привода рулевых винтов от одного вала, с индивидуальными автоматами перекоса и разными электронно-управляемыми механизмами привода автоматов перекоса угла положения лопастей, на каждом диске винтов.

Сами диски винтов могут быть смещены относительно друг друга на расстояние не менее ширины лопасти и в этом случае лопасти вращаются в параллельных дисках.

Для снижения шума и увеличения эффективности диски винтов заключены в овальное профилированное кольцо, которое предотвращает завихрение при срыве потока с лопастей винтов устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена часть хвостовой балки вертолета с килем и устройством компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.

На фиг.2 показан возможный вариант взаимного расположения лопастей винтов устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета.

Согласно представленным чертежам (фиг.1, фиг.2) устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета включает следующие элементы:

1 - хвостовая балка вертолета с килем;

2 - аэродинамическая поверхность;

3 - редуктор синхронного привода;

4 - втулка основного винта;

5 - втулка вспомогательного винта;

6 - лопасть основного винта;

7 - лопасть вспомогательного винта;

8 - область объединения дисков основного и вспомогательного винтов;

9 - овальное профилированное кольцо;

10 - приводной вал.

На фиг.1 представлена часть хвостовой балки вертолета с килем 1 и с устройством компенсации реактивного момента несущего винта вертолета. Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета расположено под килем на хвостовой балке вертолета с килем 1. На хвостовой балке с килем 1 в плоскости киля находится аэродинамическая поверхность 2, ось вращения которой наклонена на угол а от вертикали. В нижней части киля располагается редуктор синхронного привода 3 на выходных валах которого располагается втулка основного винта 4 с лопастями 6 и втулка вспомогательного винта 5 с лопастями 7, чем достигается синхронное вращения лопастей 6 и 7. Лопасти 6, 7 закреплены во втулках 4 и 5 соответственно с возможностью вращения для изменения угла установки. Привод втулок 4 и 5 осуществляется через редуктор синхронного привода 3 от приводного вала 10. Ось вращения втулки основного винта 4 расположена под углом, к оси втулки вспомогательного винта 5, на расстоянии, превышающем длину лопастей 6 и 7. Сами диски винтов с лопастями 6 и 7 смещены относительно друг друга под углом, и соответственно лопасти вращаются в пересекающихся дисках. Движение лопастей 6 в диске винта с лопастями 7 создает область объединения дисков основного и вспомогательного винтов 8.

Комлевые части лопастей 6 и 7, которые закреплены на втулке основного винта 4 и втулке вспомогательного винта 5 устройства компенсации, имеют возможность вращения и управляются электронно-управляемым механизмом изменения угла установки лопастей индивидуально для каждого диска винта (не показан). Аэродинамическая поверхность 2 управляется другим электронно-управляемым механизмом изменения угла установки (не показан).

Для управления электронно-управляемыми механизмами изменения положения аэродинамической поверхности 2 и шага лопастей 6 и 7 винта устройства присутствует блок автоматического управления (не показан), который воспринимает сигналы: с одной стороны от педалей и ручки управления в кабине пилота, а с другой стороны от датчиков скорости движения хвостовой балки с килем 1, всего вертолета относительно оси вращения несущего винта, скорости вращения несущего винта, и от датчиков скорости вращения винта устройства компенсации реактивного момента, от датчиков положения аэродинамической поверхности, датчиков положения угла установки лопастей 6 и 7 в основном и вспомогательном винте.

Работа устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета, состоит в следующем. Часть мощности двигателя вертолета в виде крутящего момента через приводной вал 10 вращает втулку основного винта 4 с лопастями 6 и втулку вспомогательного винта 5 с лопастями 7, которые засасывают воздух, создается разрежение, воздух разгоняется и выбрасывается за диск винтов, в результате чего образуется тяга. Поскольку присутствует область объединения дисков основного и вспомогательного винтов 8, то тяга в этой области может удваиваться.

Поскольку угол установки лопастей 6 и 7 может периодически меняться по времени, то и скорости воздуха и силы тяги будут переменны, в зависимости от величины реактивного момента несущего винта вертолета. Одновременно изменяется положение аэродинамической поверхности 2. Смена направления угла установки лопастей 6 и 7 происходит на линии перпендикулярной диску вращения несущего винта вертолет, что образует границу и формирует область объединения дисков основного и вспомогательного винтов 8 в которой тяга лопастей 6 и 7 может быть одинаковая по величине и по направлению. Противоположная направленность и величина тяги лопастей 6 и 7 вне области 8, обеспечивают управляемость. Тяга основного винта с лопастями 6 обеспечивает требуемую компенсацию реактивного момента несущего винта вертолета.

Тяга вспомогательного винта с лопастями 7 обеспечивает управляемость и совместно с лопастями 6 в области 8 может обеспечивать компенсацию реактивного момента несущего винта вертолета. Инерционное движение хвостовой балки с килем 1 компенсируется изменением величины тяги лопастей 6 или 7 устройства. Два вектора тяги, один из которых компенсирует реактивный момент несущего винта, как бы упираются друг в друга, и если появляется стороннее воздействие с той или с другой стороны, то автоматически увеличивается вектор тяги для компенсации этого воздействия. Положение аэродинамической поверхности 2 согласовано с направлением результирующего вектора тяги винтов с лопастями 6 и 7.

Направленность вектора тяги дисков винтов с лопастями 6 и 7 может плавно изменяться от противоположного до однонаправленного, что позволяет трансформировать устройство в обычный рулевой винт по величине и направлению тяги. В этом случае все свойства рулевого винта реализуются в данном устройстве компенсации реактивного момента несущего винта вертолета для обеспечения путевой управляемости и устойчивости.

Аэродинамическая поверхность 2 отклоняет воздушный поток от несущего винта, который не воздействует в поперечном направлении на поток от винтов с лопастями 6 и 7, а направляется в направлении тяги винтов с лопастями 6 и 7, что создает дополнительный компенсирующий момент. Величина угла отклонения аэродинамической поверхности 2 зависит от направления и величины тяги винтов с лопастями 6 и 7, в зависимости от угла общего шага несущего винта и требуемого направления поступательного горизонтального движения вертолета,

На режиме висения, устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета создает максимальную силу тяги, необходимую для уравновешивания реактивного момента несущего винта.

На фиг.2 показан возможный вариант взаимного расположения лопастей винтов устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета. Это устройство с двухрядным размещением дисков винтов и с синхронизированным приводом втулок винтов от одного вала, с индивидуальными автоматами перекоса и с разными электронно-управляемыми механизмами привода автоматов перекоса угла положения лопастей (не показаны) на каждом диске винтов.

На хвостовой балке с килем 1 в плоскости киля находится аэродинамическая поверхность 2, ось вращения которой наклонена на угол а от вертикали. В овальном профилированном кольце 9 располагается втулка основного винта 4 с лопастями 6 и втулка вспомогательного винта 5 с лопастями 7. Лопасти 6, 7 закреплены во втулках 4 и 5 соответственно с возможностью вращения для изменения угла установки. Привод втулок 4 и 5 осуществляется от одного единого приводного вала 10, чем достигается синхронное вращения лопастей 6 и 7. Втулка основного винта 4 расположена на расстоянии, от втулки вспомогательного винта 5, превышающем длину лопастей 6 и 7. Сами диски винтов с лопастями 6 и 7 смещены относительно друг друга на расстояние не менее ширины лопасти 6 или 7 и соответственно лопасти вращаются в параллельных дисках. Движение лопастей 6 в диске винта с лопастями 7 создает область объединения дисков основного и вспомогательного винтов 8.

Комлевые части лопастей 6 и 7, которые закреплены на втулке основного винта 4 и втулке вспомогательного винта 5 устройства компенсации, имеют возможность вращения и управляются электронно-управляемым механизмом изменения угла установки лопастей индивидуально для каждого диска винта (не показан). Аэродинамическая поверхность 2 управляется другим электронно-управляемым механизмом изменения угла установки (не показан).

Для управления электронно-управляемыми механизмами изменения положения аэродинамической поверхности 2 и шага лопастей 6 и 7 винта устройства присутствует блок автоматического управления (не показан), который воспринимает сигналы: с одной стороны от педалей и ручки управления в кабине пилота, а с другой стороны от датчиков скорости движения хвостовой балки с килем 1, всего вертолета относительно оси вращения несущего винта, скорости вращения несущего винта, и от датчиков скорости вращения винта устройства компенсации реактивного момента, от датчиков положения аэродинамической поверхности, датчиков положения угла установки лопастей 6 и 7 в основном и вспомогательном винте.

Работа устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета, состоит в следующем. Часть мощности двигателя вертолета в виде крутящего момента через приводной вал 10 вращает втулку основного винта 4 с лопастями 6 и втулку вспомогательного винта 5 с лопастями 7, которые засасывают воздух в тоннель ограниченный овальным профилированным кольцом 9. На вращающихся лопастях 6 и 7 создается разрежение, воздух разгоняется и выбрасывается за диск винтов, и в результате образуется тяга лопастей 6 и 7 основного и вспомогательного винтов. Поскольку присутствует область объединения дисков основного и вспомогательного винтов 8, то тяга в этой области может удваиваться.

Поскольку угол установки лопастей 6 и 7 может периодически меняться по времени, то и скорости воздуха и силы тяги будут переменны, в зависимости от величины реактивного момента несущего винта вертолета. Одновременно изменяется положение аэродинамической поверхности 2. Смена направления угла установки лопастей 6 и 7 происходит на линии перпендикулярной диску вращения несущего винта вертолет, что образует границу и формирует область объединения дисков основного и вспомогательного винтов 8 в которой тяга лопастей 6 и 7 может быть одинаковая по величине и по направлению. Противоположная направленность и величина тяги лопастей 6 и 7 вне области 8, обеспечивают управляемость. Тяга основного винта с лопастями 6 обеспечивает требуемую компенсацию реактивного момента несущего винта вертолета.

Тяга вспомогательного винта с лопастями 7 обеспечивает управляемость и совместно с лопастями 6 в области 8 может обеспечивать компенсацию реактивного момента несущего винта вертолета. Инерционное движение хвостовой балки с килем 1 компенсируется изменением величины тяги лопастей 6 или 7 устройства. Два вектора тяги, один из которых компенсирует реактивный момент несущего винта, как бы упираются друг в друга, и если появляется стороннее воздействие с той или с другой стороны, то автоматически увеличивается вектор тяги для компенсации этого воздействия. Положение аэродинамической поверхности 2 согласовано с направлением результирующего вектора тяги винтов с лопастями 6 и 7.

Направленность вектора тяги дисков винтов с лопастями 6 и 7 может плавно изменяться от противоположного до однонаправленного, что позволяет трансформировать устройство в обычный рулевой винт по величине и направлению тяги. В этом случае все свойства рулевого винта реализуются в данном устройстве компенсации реактивного момента несущего винта вертолета для обеспечения путевой управляемости и устойчивости.

Аэродинамическая поверхность 2 отклоняет воздушный поток от несущего винта, который не воздействует в поперечном направлении на поток от винтов с лопастями 6 и 7, а направляется в направлении тяги винтов с лопастями 6 и 7, что создает дополнительный компенсирующий момент. Величина угла отклонения аэродинамической поверхности 2 зависит от направления и величины тяги винтов с лопастями 6 и 7, в зависимости от угла общего шага несущего винта и требуемого направления поступательного горизонтального движения вертолета,

На режиме висения, устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета создает максимальную силу тяги, необходимую для уравновешивания реактивного момента несущего винта.

Изобретение относится к области авиации, в частности к конструкциям вертолетов с одним несущим винтом. Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета содержит два винта с несколькими лопастями в районе киля на хвостовой балке вертолета, отклоняемую аэродинамическую поверхность на киле. Винт с осью вращения, перпендикулярной оси хвостовой балки вертолета и расположенной горизонтально, является основным для компенсации реактивного момента несущего винта вертолета. Второй винт является вспомогательным, при этом диски лопастей основного и вспомогательного винтов пересекаются и образуют объединенную зону дискового пространства винтов. Винты имеют синхронизированный привод, снабжены индивидуальной для каждого винта системой автоматического управления углом поворота лопастей винтов для создания на одном диске винта одновременно вектора тяги направленного в противоположные стороны при задании разных углов установки лопастей в частях диска винта. В объединенной зоне дискового пространства создается объединенный вектор тяги винтов одного направления. Обеспечивается уменьшение энергетических затрат на привод устройства компенсации, увеличение коэффициента полезного действия, снижение уровня шума, уменьшение вибраций и увеличение ресурса устройства компенсации реактивного момента несущего винта вертолета. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета с одним несущим винтом, включающее хвостовой винт, приводимый во вращение тем же, что и несущий винт, средством, систему управления хвостовым винтом и по меньшей мере одну управляемую аэродинамическую поверхность направления, выполненную с возможностью поворота и образования в результате этого поперечной аэродинамической силы, компенсирующей реактивный момент несущего винта, снабжено средствами для автоматического управления углом поворота аэродинамической поверхности направления и системой управления хвостовым винтом, которые выполнены с возможностью их раздельного функционирования с функциональной связью между ними в зависимости от угла общего шага несущего винта и скорости поступательного горизонтального движения вертолета, отличающееся тем, что содержит два винта с несколькими лопастями, при этом винт с осью вращения, перпендикулярной оси хвостовой балки вертолета и расположенной горизонтально, является основным для компенсации реактивного момента несущего винта вертолета, а винт с осью вращения, установленной под углом к оси основного винта, является вспомогательным, при этом диски лопастей основного и вспомогательного винтов пересекаются и образуют объединенную зону дискового пространства винтов, или возможно параллельное размещение винтов, с перекрытием ометаемых ими дисков, с синхронизированным приводом винтов от одного вала, при этом сами диски винтов могут быть смещены относительно друг друга на расстояние не менее ширины лопасти одного из винтов, снабжены индивидуальной для каждого винта, системой автоматического управления углом поворота лопастей винтов, для создания на одном диске винта одновременно вектора тяги, направленного в противоположные стороны при задании разных углов установки лопастей в частях диска винта, а в объединенной зоне дискового пространства создается объединенный вектор тяги винтов одного направления.

2. Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета по п. 1, отличающееся тем, что векторы тяги частей дисков винтов могут складываться и иметь одинаковую величину или разную, в зависимости от угла установки лопастей в объединенной зоне дискового пространства винтов, при этом управление сводится к плавному увеличению вектора тяги одного винта при одновременном уменьшении вектора тяги другого винта.

3. Устройство компенсации реактивного момента несущего винта вертолета по п. 3, отличающееся тем, что диски винтов заключены в овальное профилированное кольцо.