В течение ряда лет в ЦАГИ ведутся расчетные и экспериментальные исследования одного из новых технических решений в конструкции одновинтового вертолета — струйной системы управления. Результаты этих исследований показывают, что использование струйной системы вместо традиционного рулевого винта может обеспечить получение целого ряда преимуществ:
— повышение безопасности летной и наземной эксплуатации;
— повышение скорости полета;
— возможность реализации концепции сверхманевренности;
— снижение тепловой заметности;
— снижение уровня шума.
Струйная система вертолета включает в себя воздухозаборник, силовой вентилятор, газовый тракт со смешением холодного воздуха вентиляторного контура с выхлопными газами силовой установки и поворотное сопло с управляемым вектором силы тяги (УВТ).
Результаты расчетных и экспериментальных исследований позволили составить обширный банк данных, на базе которого были разработаны методы расчета характеристик вертолета со струйной системой управления. Расчетные исследования, выполненные для вертолетов различных весовых категорий и назначения, указывают на возможность реализации потенциальных преимуществ струйной системы при достаточно высокой энергетической эффективности.
Для достоверного переноса результатов расчетов и лабораторных экспериментов на натурный вертолет в ЦАГИ создается крупномасштабная модель вертолета с полным моделированием его основных агрегатов и систем. Модель оснащается комбинированной силовой установкой (роторно-поршневым двигателем и электродвигателем), позволяющей проводить испытания модели в аэродинамических трубах Т-101 и Т-104 ЦАГИ.
Помимо отработки струйной системы, будут решаться и другие задачи, среди которых — отработка новых аэродинамических компоновок винтов, поиск новых технических путей снижения вредного сопротивления и улучшения характеристик устойчивости, управляемости и заметности вертолета.
Евгений ВОЖДАЕВ, заместитель директора ЦАГИ по вертолетам
И С П Ы Т А Н И Я
Проверка на усталость
Как в отечественной, так и зарубежной практике определяющая роль при отработке ресурса лопастей рулевого винта отводится усталостным испытаниям натурной конструкции лопасти. Необходимость таких испытаний вызвана тем, что при эксплуатации нагружение конструкции характеризуется большим количеством связанных друг с другом параметров: в конструкции идут исключительной сложности усталостные процессы. Поэтому при выборе проектных, технологических и эксплуатационных решений невозможно полагаться только на теоретические расчеты и результаты испытаний образцов материала и узлов конструкции лопасти. В процессе испытаний отрабатывается регламент дефектоскопического контроля и технического обслуживания лопасти. Впоследствии результаты натурных испытаний используют при сертификации конструкции для принятия решений, определяющих качество конструкции лопасти. Одним из основных требований, предъявляемых к усталостным испытаниям натурных конструкций лопастей вертолета, является наиболее полное воспроизведение процессов нагружения, идущих при реальной эксплуатации.
Для проведения таких испытаний в ЦАГИ созданы специальные стенды испытаний лопастей рулевого винта. При этом наряду с нагружением осевым усилием от центробежных сил на стендах воспроизводится характерное для эксплуатации вибрационное нагружение винта, возникающее под действием переменной аэродинамической нагрузки.
Рис. 1. Зависимость изгибающего момента от показаний тензомоста
Рис. 2. Зависимость перерезывающей сипы от показаний тензомоста
Программа стендовых испытаний предусматривает проведение испытаний образцов в плоскостях максимальной (плоскость вращения) и минимальной (плоскость тяги) жесткости винта. Объектом испытаний является отсек лопасти, выполненный из композиционных материалов. Длина образца 1200 мм (± 2 мм). Основной силовой элемент испытуемого образца — пустотелый лонжерон D-образного сечения, выполненный из углепластика. На «пере» лопасти устанавливают пластины (они крепятся к подшипниковой опоре стенда «Ёопасть-1») либо гибкую переходную накладку, выполненную из композита — для стенда «Лопасть-2». В корневой части лонжерона (усиленной дополнительными листами) с помощью втулок и болтов установлен наконечник из легированной стали, который обеспечивает навеску лопасти на втулку.
На стенде «Лопасть-1» предусматривается проведение испытания одновременно двух лопастей, скрепленных между собой с помощью фланцев. Для изменения изгибающего момента между фланцами установлены специальные шайбы. Лопасти своими «перьями» входят в передний и средний шарнирные узлы. Передний узел установлен неподвижно на силовой опоре. Средний узел свободен, и его вес вместе с весом вибратора «обезвешен» при помощи резиновых шнуров. Нагружение лопастей осевой силой осуществляется с помощью гидравлического силовозбудителя, находящегося на задней опоре. Изгибные колебания лопастей возбуждаются вибратором, установленным на шарнирном узле.
Стенд «Лопасть-2» предусматривает испытания одновременно двух лопастей, закрепленных с помощью гибкой упругой связи, выполненной из композиционного материала. Лопасти своими комлями входят в передний и средний бесшарнирные корпуса. Для изменения постоянного изгибающего момента в корпусах установлены специальные шайбы. Передний корпус установлен неподвижно на силовой опоре. Средний корпус закреплен на гибкой опоре. Нагружение лопастей осевой силой осуществляется с помощью гидравлического силовозбудителя, находящегося на задней опоре. Вибрационное нагружение осуществляется с помощью облегченного вибратора, установленного в месте крепления образцов лопасти.
Стенды содержат механическую и гидравлическую части, систему управления, средства измерений.
В механическую часть стенда входят силовые опоры (передняя и задняя), узлы крепления лопастей, тросовая система, страховочные устройства. Под гидравлической частью подразумеваются вибратор с гидромотором, гидроцилиндр, система гидравлических блоков и маслонасосная станция (МНС). Система управления включает в себя: персональный компьютер; систему автоматического управления амплитудой колебания образцов лопастей (состоит из датчика линейных перемещений с измерительным усилителем, управляющей платы, электронной карты регулирования оборотов гидромотора и гидрораспределителей); систему автоматического управления гидроцилиндрами (состоит из гидроцилиндра, платы загрузки, измерительного усилителя и гидрозамков).
Рис. 3. Циклограмма переменного изгибающего момента
Рис. 4. Циклограмма перерезывающей силы
Средства измерений включают в себя: индуктивный датчик перемещений WA-100 фирмы HBM с измерительным усилителем MVD-2555, обеспечивающим измерение амплитуд колебаний лопасти; универсальный многоканальный измерительный усилитель MGCplus, предназначенный для регистрации и анализа статико-динамических деформаций в испытуемых образцах; стержневой динамометр ДДР с измерительным усилителем MVD-2555, позволяющим измерять осевое усилие на образец.
Для контроля переменного изгибающего момента и перерезывающей силы в контрольных сечениях лопастей монтируются тензомосты. До усталостных испытаний тензомосты тарируются. При тарировке лопасть консольно закрепляется фланцевым соединением, а к концевому сечению прикладывается вертикальное усилие. В результате проведенных тарировок получаются зависимости величины сигналов тензомостов от величины приложенных усилий (рис. 1, 2).
Результаты проведенных тарировок позволили замерить изменение изгибающих моментов и перерезывающих сил в контрольных сечениях при одновременном нагружении лопасти осевым усилием и переменным изгибающим моментом как в плоскости вращения лопасти, так и в плоскости тяги. На рис. 3 приведена циклограмма изменения изгибающего момента при переменном нагружении в плоскости вращения. Можно увидеть, что амплитуда переменного изгибающего момента от цикла к циклу изменяется незначительно.