- Откуда
- г.Сочи
Лопасти ротора Сиервы
Самая ранняя стадия развития автожиров примерно наравне соединяла в себе науку и импровизацию. Сиерве приходилось "играть на слух", параллельно развивая научную составляющую. В первом автожире использовался профиль Eiffel 106, который был явно симметричным. Поверхностным поиском в Интернете мне не удалось обнаружить его координаты.
Следующим был G[ch246]ttingen 430, профиль с резко выраженной выпуклостью-вогнутостью и сильным отрицательным осевым моментом, который, как считается, стал причиной обрыва лопасти на одной из машин вследствие циклического изгиба силового набора лопасти. После этого Сиерва в течение нескольких лет неизменно использовал профиль G[ch246] 429. Этот почти симметричный профиль имеет характеристики, практически аналогичные профилю NACA 0012. Профили G[ch246] 429 и 430 показаны на рис. 5.
После этого, около 1930 года был опробован профиль RAF 34. Это умеренно выпукло-вогнутый профиль с отогнутой задней кромкой, который был разработан специально для винтокрылых. Он показывает довольно приличные параметры при компьютерном анализе, но Сиерву он очевидно не устроил (рис.6).
С внедрением непосредственного управления на автожире C-30, Сиерва переключился на профиль G[ch246]-606, так же, как это сделали Питкерн и Келлет в США. Мне не удалось найти эскиз этого профиля, но я видел его на нескольких экземплярах автожира C-30. Это умеренно выпукло-вогнутый профиль, напоминающий RAF-34, но без отогнутой задней кромки. Он имел некоторый отрицательный осевой момент, и по меньшей мере один автожир C-30 был потерян при снижении на высокой скорости, когда, возможно, ручка управления встала на задний упор по тангажу. Циклический изгиб профиля с отрицательным осевым моментом создает своего рода встроенную "тарелку автомата-перекоса", которая заваливает диск ротора на пикирование.
Профили с отрицательным осевым моментом также могут вызывать неустойчивость относительного положения ручки по тангажу в зависимости от скорости. У правильно разработанных профилей ручка должна уходить вперед с ростом скорости. Проблему отрицательного осевого момента пытались решать установкой отогнутых вверх триммерных пластин на задней кромке. На автожирах Kellett KD-1 и поздних моделях автожира C-30 эти пластины занимали наружную треть задней кромки лопасти. Более поздние автожиры, выпущенные перед тем, как Вторая Мировая война остановила их выпуск, использовали профиль NACA 23012 (рис. 7).
Профиль 23012 использует распределение толщины по хорде, соответствующее профилю 0012 в сочетании со средней линией, сильно отличающейся от линий, характерных для 4-разрядных профилей. Опыты, проведенные NACA с 4-разрядными сериями профилей, показали, что коэффициент подъемной силы увеличивается при смещении точки наибольшей выпукло-вогнутости вперед или назад от средней точки хорды (видимо, имеется в виду точка 25% - МТ). Смещение назад не представляет интереса, т.к. при этом существенно увеличивается осевой момент. Смещение в сторону носка дает наибольшее увеличение подъемной силы при минимальном изменении осевого момента.
Для удобства работы с преимуществами сдвинутой вперед выпукло-вогнутости NACA внедрил 5-разрядную систему обозначений профилей в дополнение к существующей 4-разрядной. Распределение толщины профиля по хорде в ней такое же, но для средних линий хорды были разработаны новые серии, обозначаемые 210, 220, 230, 240 и так далее.
Первый разряд здесь обозначает расчетный коэффициент подъемной силы как 3/2 от расчетного коэффициента подъемной силы, выраженного в десятых долях. Умно, не правда ли? Следующие два разряда обозначают расположение точки наибольшей выпукло-вогнутости от передней кромки, выраженное в процентах, умноженных на 2. К примеру, 210 обозначает, что точка наибольшей выпукло-вогнутости находится на расстоянии 5% хорды от передней кромки (2х5%=10), 230 - на расстоянии 15% и т.д. Средняя линия таких профилей является прямой от точки наибольшей выпукло-вогнутости до задней кромки.
Профиль 23012 превосходно подходит для автожиров, он обладает высоким коэффициентом подъемной силы и низким сопротивлением. Его осевой момент равен –0.014, это настолько мало, что в большинстве случаев может не учитываться. Однако запуск такого ротора от руки затруднителен из-за резкой картины срыва.
Эра Бенсена
Бенсен начал с лопастей, изготовленных из фанеры с профилем NACA 0012, но запуск такого ротора от руки был трудным. К тому же Бенсен хотел, чтобы профиль имел плоские поверхности для упрощения постройки ротора самодельщиками. Для решения обеих этих проблем он разработал то, что называл профилем Bensen G-2.
Лопасти с профилем Bensen G-2 имели среднюю линию, характерную для профилей серий NACA 240 или 250. Задние 3/4 их обшивок были плоскими фанерными. Задняя кромка была отогнута вверх за счет выступа нижней обшивки. Этот отгиб превышал необходимый для создания нулевого осевого момента, однако вполне прилично выполнял свою задачу.
Избыточный отгиб задней кромки фанерных лопастей делает запуск ротора от руки очень легким. Лопасти устанавливались на коромысло с очень небольшим углом установки, и по мере разгона ротора носок лопасти автоматически закручивался вверх, создавая оптимальный полетный угол установки. Этот отгиб также приводит к ограничению максимальной скорости. Угол взмаха увеличивается с ростом скорости так, что ручка управления достигнет переднего упора на скорости чуть больше 100 кмч.
Два автожира, получившие сертификат типа в эпоху Бенсена, Air&Space 18-A и McCulloch J-2, использовали симметричный профиль на лопастях ротора. Для 18-A это был профиль NACA 0012 и для J-2 - профиль NACA 0015. Возможно, главной причиной использования симметричных лопастей была их доступность, хотя в случае 18-A, по-крайней мере, 0012 был вполне приличным профилем. Профиль 0015 имеет довольно высокое сопротивление, хотя я и многие другие во Флориде налетали на снятых с вооружения лопастях вертолетов Hughes-269 (TH-55) и Hughes OH-6 с профилем NACA-0015 сотни, а может быть, даже тысячи часов. Это были лопасти, сравнимые по характеристикам с нынешними металлическими, только запуск их от руки был невозможен.
Бенсен в конце концов перешел на металлические лопасти, используя профиль, в основе которого лежал NACA 8H12. Буква H (helicopter) указывает на вертолетное назначение, 12 – относительная толщина профиля (рис. 8).
NACA начал исследования ламинарных профилей примерно около 1940 года, возможно, только после того, как были разработаны аэродинамические трубы с очень низкими уровнями турбулентности. Имеются в виду не только проблемы ламинарного потока вокруг профиля, но и проблемы турбулентности самого воздушного потока в трубе. Ламинарные профили имеют более острый носок, чем стандартные профили, и максимальная высота профиля больше смещена к задней кромке.
Профиль 8H12 был разработан для улучшения характеристик ранних вертолетов, но не помог в этом. Профиль NACA 0012 имеет перед срывом более высокий коэффициент подъемной силы, его сопротивление не выше, чем у других. И его легче изготавливать.
Однако профиль 8H12 является вполне адекватным для автожиров, особенно, если ручной запуск является обязательным условием. Срыв у него вполне благоприятный, скорее мягкий, чем резкий. Характер срыва на лопастях ротора определяет только возможность запуска ротора от руки и не влияет на безопасность полетов. Корневая часть отступающей лопасти всегда находится в срыве, зона которого расширяется с ростом скорости полета. NACA проводил фотографирование срывных явлений на отступающей лопасти автожира Kellett KD-1 до скоростей, при которых в срыве находилось до 60% размаха лопасти.
Бенсен модифицировал профиль 8H12, сделав его нижнюю поверхность плоской. Нижняя обшивка лопастей Бенсена имела толщину 1.27 мм и частично воспринимала нагрузку.
Что серьезно ухудшало характеристики металлических лопастей Бенсена, так это сегментированная верхняя обшивка. Гибкость лопасти по размаху желательна, поскольку уменьшает нагрузки и делает полет "мягче". Но щели между сегментами обшивки должны быть закрыты. В противном случае лопасть превращается в центробежный насос, съедающий несколько лошадиных сил на бесполезное перекачивание воздуха от центра к законцовкам.
Самая ранняя стадия развития автожиров примерно наравне соединяла в себе науку и импровизацию. Сиерве приходилось "играть на слух", параллельно развивая научную составляющую. В первом автожире использовался профиль Eiffel 106, который был явно симметричным. Поверхностным поиском в Интернете мне не удалось обнаружить его координаты.
Следующим был G[ch246]ttingen 430, профиль с резко выраженной выпуклостью-вогнутостью и сильным отрицательным осевым моментом, который, как считается, стал причиной обрыва лопасти на одной из машин вследствие циклического изгиба силового набора лопасти. После этого Сиерва в течение нескольких лет неизменно использовал профиль G[ch246] 429. Этот почти симметричный профиль имеет характеристики, практически аналогичные профилю NACA 0012. Профили G[ch246] 429 и 430 показаны на рис. 5.
После этого, около 1930 года был опробован профиль RAF 34. Это умеренно выпукло-вогнутый профиль с отогнутой задней кромкой, который был разработан специально для винтокрылых. Он показывает довольно приличные параметры при компьютерном анализе, но Сиерву он очевидно не устроил (рис.6).
С внедрением непосредственного управления на автожире C-30, Сиерва переключился на профиль G[ch246]-606, так же, как это сделали Питкерн и Келлет в США. Мне не удалось найти эскиз этого профиля, но я видел его на нескольких экземплярах автожира C-30. Это умеренно выпукло-вогнутый профиль, напоминающий RAF-34, но без отогнутой задней кромки. Он имел некоторый отрицательный осевой момент, и по меньшей мере один автожир C-30 был потерян при снижении на высокой скорости, когда, возможно, ручка управления встала на задний упор по тангажу. Циклический изгиб профиля с отрицательным осевым моментом создает своего рода встроенную "тарелку автомата-перекоса", которая заваливает диск ротора на пикирование.
Профили с отрицательным осевым моментом также могут вызывать неустойчивость относительного положения ручки по тангажу в зависимости от скорости. У правильно разработанных профилей ручка должна уходить вперед с ростом скорости. Проблему отрицательного осевого момента пытались решать установкой отогнутых вверх триммерных пластин на задней кромке. На автожирах Kellett KD-1 и поздних моделях автожира C-30 эти пластины занимали наружную треть задней кромки лопасти. Более поздние автожиры, выпущенные перед тем, как Вторая Мировая война остановила их выпуск, использовали профиль NACA 23012 (рис. 7).
Профиль 23012 использует распределение толщины по хорде, соответствующее профилю 0012 в сочетании со средней линией, сильно отличающейся от линий, характерных для 4-разрядных профилей. Опыты, проведенные NACA с 4-разрядными сериями профилей, показали, что коэффициент подъемной силы увеличивается при смещении точки наибольшей выпукло-вогнутости вперед или назад от средней точки хорды (видимо, имеется в виду точка 25% - МТ). Смещение назад не представляет интереса, т.к. при этом существенно увеличивается осевой момент. Смещение в сторону носка дает наибольшее увеличение подъемной силы при минимальном изменении осевого момента.
Для удобства работы с преимуществами сдвинутой вперед выпукло-вогнутости NACA внедрил 5-разрядную систему обозначений профилей в дополнение к существующей 4-разрядной. Распределение толщины профиля по хорде в ней такое же, но для средних линий хорды были разработаны новые серии, обозначаемые 210, 220, 230, 240 и так далее.
Первый разряд здесь обозначает расчетный коэффициент подъемной силы как 3/2 от расчетного коэффициента подъемной силы, выраженного в десятых долях. Умно, не правда ли? Следующие два разряда обозначают расположение точки наибольшей выпукло-вогнутости от передней кромки, выраженное в процентах, умноженных на 2. К примеру, 210 обозначает, что точка наибольшей выпукло-вогнутости находится на расстоянии 5% хорды от передней кромки (2х5%=10), 230 - на расстоянии 15% и т.д. Средняя линия таких профилей является прямой от точки наибольшей выпукло-вогнутости до задней кромки.
Профиль 23012 превосходно подходит для автожиров, он обладает высоким коэффициентом подъемной силы и низким сопротивлением. Его осевой момент равен –0.014, это настолько мало, что в большинстве случаев может не учитываться. Однако запуск такого ротора от руки затруднителен из-за резкой картины срыва.
Эра Бенсена
Бенсен начал с лопастей, изготовленных из фанеры с профилем NACA 0012, но запуск такого ротора от руки был трудным. К тому же Бенсен хотел, чтобы профиль имел плоские поверхности для упрощения постройки ротора самодельщиками. Для решения обеих этих проблем он разработал то, что называл профилем Bensen G-2.
Лопасти с профилем Bensen G-2 имели среднюю линию, характерную для профилей серий NACA 240 или 250. Задние 3/4 их обшивок были плоскими фанерными. Задняя кромка была отогнута вверх за счет выступа нижней обшивки. Этот отгиб превышал необходимый для создания нулевого осевого момента, однако вполне прилично выполнял свою задачу.
Избыточный отгиб задней кромки фанерных лопастей делает запуск ротора от руки очень легким. Лопасти устанавливались на коромысло с очень небольшим углом установки, и по мере разгона ротора носок лопасти автоматически закручивался вверх, создавая оптимальный полетный угол установки. Этот отгиб также приводит к ограничению максимальной скорости. Угол взмаха увеличивается с ростом скорости так, что ручка управления достигнет переднего упора на скорости чуть больше 100 кмч.
Два автожира, получившие сертификат типа в эпоху Бенсена, Air&Space 18-A и McCulloch J-2, использовали симметричный профиль на лопастях ротора. Для 18-A это был профиль NACA 0012 и для J-2 - профиль NACA 0015. Возможно, главной причиной использования симметричных лопастей была их доступность, хотя в случае 18-A, по-крайней мере, 0012 был вполне приличным профилем. Профиль 0015 имеет довольно высокое сопротивление, хотя я и многие другие во Флориде налетали на снятых с вооружения лопастях вертолетов Hughes-269 (TH-55) и Hughes OH-6 с профилем NACA-0015 сотни, а может быть, даже тысячи часов. Это были лопасти, сравнимые по характеристикам с нынешними металлическими, только запуск их от руки был невозможен.
Бенсен в конце концов перешел на металлические лопасти, используя профиль, в основе которого лежал NACA 8H12. Буква H (helicopter) указывает на вертолетное назначение, 12 – относительная толщина профиля (рис. 8).
NACA начал исследования ламинарных профилей примерно около 1940 года, возможно, только после того, как были разработаны аэродинамические трубы с очень низкими уровнями турбулентности. Имеются в виду не только проблемы ламинарного потока вокруг профиля, но и проблемы турбулентности самого воздушного потока в трубе. Ламинарные профили имеют более острый носок, чем стандартные профили, и максимальная высота профиля больше смещена к задней кромке.
Профиль 8H12 был разработан для улучшения характеристик ранних вертолетов, но не помог в этом. Профиль NACA 0012 имеет перед срывом более высокий коэффициент подъемной силы, его сопротивление не выше, чем у других. И его легче изготавливать.
Однако профиль 8H12 является вполне адекватным для автожиров, особенно, если ручной запуск является обязательным условием. Срыв у него вполне благоприятный, скорее мягкий, чем резкий. Характер срыва на лопастях ротора определяет только возможность запуска ротора от руки и не влияет на безопасность полетов. Корневая часть отступающей лопасти всегда находится в срыве, зона которого расширяется с ростом скорости полета. NACA проводил фотографирование срывных явлений на отступающей лопасти автожира Kellett KD-1 до скоростей, при которых в срыве находилось до 60% размаха лопасти.
Бенсен модифицировал профиль 8H12, сделав его нижнюю поверхность плоской. Нижняя обшивка лопастей Бенсена имела толщину 1.27 мм и частично воспринимала нагрузку.
Что серьезно ухудшало характеристики металлических лопастей Бенсена, так это сегментированная верхняя обшивка. Гибкость лопасти по размаху желательна, поскольку уменьшает нагрузки и делает полет "мягче". Но щели между сегментами обшивки должны быть закрыты. В противном случае лопасть превращается в центробежный насос, съедающий несколько лошадиных сил на бесполезное перекачивание воздуха от центра к законцовкам.
