ПАРАДОКСАЛЬНАЯ ЛОПАСТЬ

Лопасти первых геликоптеров также обычно использовали каркасную схему с металлическими несущими элементами и полотняной обшивкой. На первом советском автожире КАСКР Камов спроектировал лопасть, основным силовым элементом которой служил металлический лонжерон, составленный из трех сегментов стальных труб эллиптической формы. К лонжерону механически крепились деревянные нервюры, обшивка носка лопасти была выполнена из фанеры, полотняная обшивка пропитывалась лаком. Похожую конструкцию применил М. Миль на вертолете Ми-1.

Когда Н. Камов начал проектировать  вертолеты, он вспомнил о древесине.

 «На лопасть воздействует огромное число циклов знакопеременных изгибающих моментов, но ведь тянущаяся к небу сосна за всю свою нелегкую жизнь привыкла к такому виду воздействий» — размышлял главный конструктор.

Одно из своих первых авторских свидетельств за № 348337  Камов получил в 1946 году на деревянную лопасть воздушного винта. Силовую основу лопастей камовских вертолетов Ка-15, Ка-18, Ка-26 и винтокрыла Ка-22 составили лонжероны, склеенные из пластинок дельта древесины.  Сзади к лонжеронам приклеивались фанерные «хвостики», заполненные поропластом,  передняя кромка защищалась от износа профилированным металлическим «носиком», комлевой узел крепления лопасти к втулке несущего винты изготавливался из стали, на передней кромке встраивались противообледенительные устройства – спиртовые или электронагревательные.

10 ноября 1949 года совершил первый полет геликоптер S-55/H-19 Chickasaw, в котором использовались разработанные Игорем Сикорским лопасти с D-образным прессованным полым лонжерона из дюралюминиевого сплава. К лонжерону пристыковывается законцовка  с обшивкой из легкого сплава и сотовым заполнителем из фольги. В полости лонжерона  создается избыточное давление: при нарушении герметичности полости вследствие появления трещин, давление падает, и в комле лопасти появляется знак опасности – ярко-красный сигнал, называемый в обиходе «солдатиком».

 


 

Рис. 4.5. Лопасть несущего винта с D-образным лонжероном
а — общий вид лопасти несущего винта;

б — комлевая часть лопасти;

в — сечение лопасти;

г — концевая часть лопасти;

 

1- штепсельный разъем; 2- наконечник; 3- вентиль; 4- заглушка; 5- сигнализатор давления воздуха; 6- болт; 7- лонжерон; 8- хвостовой отсек; 9- лампа контурного огня; 10- концевой обтекатель; 11- балансировочные пластины; 12- заглушка; 13- резиновый вкладыш; 14- прижим; 15- винтовой упор; 16- противовес;17- уплотнительный вкладыш; 18- сотовый заполнитель; 19- нервюра; 20-нагревательные элементы противообледенительной системы; 21- обшивка; 22- хвостовой стрингер; 23- триммерная пластина

 Это не самое удачное изобретение Сикорского многократно заимствовано,  в частности оно применено с различными модификациями на российских вертолетах Ка-25,  Ка-27, Ми-4, Ми-24 и других. Применялись прессованные лонжероны с одним, двумя и тремя контурами, менялся химический состав материала, тип сотового заполнителя.

Ученые и конструкторы не вдруг и не сразу постигли удивительные особенности физических условий нагружения лопасти несущего винта. Из мира других вертолетных агрегатов лопасть выделяется двумя фишками.

Первая – лопасть не должна быть чрезмерно легкой, так как  ее потребная масса определяется условиями аэродинамики и  стабильности махового движения лопасти, возможностью перехода несущего винта на режим авторотации. Поэтому применительно к лопасти критерий удельной прочности не работает.

Вторая особенность еще интереснее. Оказывается, для прочности лонжерона лопасти важен модуль упругости материала, причем, в обратном смысле —  чем модуль меньше, тем для лопасти лучше. 

Секрет в том, что изгибные в вертикальной плоскости деформации обычной тонкой лопасти (при отношении толщины профиля к хорде порядка 0,07 – 0,15) в решающей мере определяются действующими на лопасть аэродинамическими и центробежными силами, при малом влиянии на эти деформации жесткости самой лопасти. Иными словами, при прочих равных условиях,  в полете,  упругая линия тонкой лопасти в вертикальной плоскости практически одинакова, будь она выполнена очень гибкой (скажем на шарнирах)   или же с применением самого жесткого материала. Сказанное легко проверить, рассматривая условия равновесия изгибающих моментов  от действия аэродинамических, центробежных сил и сил упругости в каждом сечении лопасти. Согласно закону Гука действующее напряжение δ и относительная деформация ε связаны соотношением:

δ =  Е х ε,

где Е – модуль упругости материала (в той же размерности, что и напряжение).

Чем меньше модуль упругости материала лонжерона лопасти, тем меньше возникающие в лонжероне напряжения. В этом случае показателем приспособленности материала для лонжерона  лопасти вертолета становится      безразмерное соотношение δ/Е.

Вот так обстоят дела  с этим показателем для ходовых авиационных материалов:

 

 

Материал

Предел

 прочности

δв, кг/мм2

Предел выносливости

δ-1, кг/мм2

Модуль упругости

Е, кг/мм2

 

δв/ Е

 

δ-1/ Е

Сосна

10

1,6

1000

0,01

0,0016

Алюминиевый сплав В95

50

7,0

7400

0,007

0,001

Сталь 30ХГСА

110

35

21000

0,005

0,0017

Стеклопластик СК5-211Б

100

18

5000

0.02

0,0036

Углепластик КМУ-3

80

40

15000

0,005

0.0027

Титановый сплав ВТ22

110

50

11000

0,01

0,0045

 

Наивысшие значения δ/Е у стеклопластика.

Остальные материалы лонжерона лопасти отдыхают.

Одними из первых осознали и использовали удивительные особенности физики работы лопасти несущего винта русские конструкторы. В конце 50-х, начале 60-х годов прошлого столетия М. Купфер, Н. Камов, А. Сатаров при участии ряда других конструкторов и технологов Ухтомского ОКБ  развернули беспрецедентный по интенсивности и объему комплекс конструкторских и научно-исследовательских работ по созданию для вертолетов Ка-15 и Ка-18 стеклопластиковых лопастей взамен деревянных. Стеклопластиковый материал позволил  реализовать принцип «мягкого проектирования» конструкции: изменяя марку стеклопластикового волокна, его расположение и количество, применяя различные связующие и режимы прессования можно было свободно варьировать прочностными и жесткостными характеристиками лопасти, «отстраиваясь» от нежелательных резонансов, глуша, за счет внутреннего гистерезиса материала, мелкие высокочастотные гармоники. Способ «выпекания» лопасти в автоклаве позволял обеспечивать высокую идентичность размеров и качества поверхности, улучшать аэродинамические свойства. Применение стеклопластиковых лопастей Б-7, позволило в два раза увеличить статический потолок висения вертолета Ка-18.  В 1963 году для вертолета Ка-26 были разработаны стеклопластиковые лопасти Н-1, которые впервые в отечественной практике не ограничивали ресурс условиями усталостной прочности. Для решения некоторых прочностных и, особенно, жесткостных задач в лонжеронах лопасти стали применять одновременно со стеклянными и углеродные волокна – результатом стали стекло-углепластиковые лопасти, незаменимые для лопастей повышенной жесткости, спроектированные в соответствии с предложенной фирмой Сикорского концепции АВС скоростного геликоптера.

Добавить комментарий

WordPress SEO