Search in topic

Колин Милл. Практическая теория.

А можно ссылочку на оригинал?

Конечно: www.w3mh.co.uk/articles/articles.htm, внизу страницы.

Продолжаем.

Если вертолет не привязан, то наклон диска ротора будет сопровождаться креном фюзеляжа. Сила, которую ротор передает фюзеляжу при приложенном циклическом управлении, складывается из трех составляющих. Первая составляющая является результатом силы тяги ротора, которая больше не действует прямо через центр тяжести (ЦТ) вертолета. Как видно из рис. 3, линия силы тяги теперь проходит сбоку от ЦТ и результирующий момент равен силе тяги ротора, умноженной на расстояние между ней и ЦТ.

Данный момент зависит от величины и направления тяги ротора. В висении сила тяги примерно равна весу вертолета, а момент будет заставлять фюзеляж следовать за ротором. В инвертированном полете направление тяги противоположно, что делает противоположным и момент наклона (рис. 4). Этот момент оказывает дестабилизирующее воздействие, и для достаточной стабильности в инвертированном полете важно, чтобы остальные составляющие момента были достаточно велики для преодоления этого эффекта. Мы можем свести к минимуму данную составляющую, максимально уменьшив расстояние между головкой ротора и ЦТ вертолета.

Вторая составляющая момента появляется из-за того, что в головке ротора установлены демпферы или упругие пластины, которые сопротивляются свободным взмахам лопастей. При наклоне плоскости ротора относительно головки, демпферы стремятся наклонить фюзеляж вслед за диском ротора. Если демпферы очень жесткие, то в игру может вступить и упругость самих лопастей.

Наконец, если ротор использует горизонтальные шарниры (например, как у Concept), составляющая момента появляется как результат центробежной силы, действующей на лопасти, и разноса шарниров. На рис. 5 показана несколько преувеличенная ситуация, в которой диск ротора сильно наклонен относительно головки. Лопасть в верхнем положении слева тянет левую часть головки вверх, а лопасть справа – правую часть вниз. Поскольку лопасти подвешены не в одной точке, а на разнесенных горизонтальных шарнирах, появляется момент, стремящийся наклонить головку ротора вправо. Эта сила увеличивается с увеличением расстояния между шарнирами и увеличением центробежной силы. Последнее означает, что тяжелые лопасти и высокие обороты приведут к увеличению данного момента, и вызовут более быстрый отклик фюзеляжа на наклон диска ротора. В некоторых головках лопасти закреплены на одной оси без применения горизонтальных шарниров, в этом случае данная составляющая момента отсутствует.

Теперь вернемся к примеру с управлением, приложенным для крена вправо, и посмотрим, что происходит, когда вертолет может свободно следовать за ротором. Вследствие инерции фюзеляж вертолета изначально запаздывает за ротором, но моменты, которые мы рассмотрели, ускоряют поворот фюзеляжа, и, в конце концов, он «успевает» за ротором. Если ручка для крена вправо удерживается в неизменном положении, то циклический шаг лопастей будет поддерживаться, т.к. тарелка автомата перекоса двигается вместе с фюзеляжем. Вместо того чтобы остановиться, как было в примере с привязанным вертолетом, ротор продолжит крениться и вертолет – вместе с ним. Может возникнуть вопрос: как быстро будет крениться вертолет? Ответ на него не лежит в рассмотренных выше силах, они не устанавливают скорость вращения по крену или тангажу, а определяют только, как быстро эта скорость будет достигнута.

Скорость реакции ротора на команды циклического управления очень важна для управляемости машины. Если реакция ротора слишком медленная, то пилоту в некоторых случаях может не хватить управляемости для компенсации естественных погрешностей в поведении вертолета. И наоборот, вертолет может так остро реагировать, что пилот не сможет достаточно быстро ответить, чтобы обеспечить управление. Естественное стремление моделей вертолетов – избыточно острая реакция. Обычным требованием к системе управления является смягчение этой реакции. До сих пор мы предполагали, что управление циклическим шагом приложено непосредственно от сервомашинок к лопастям (через автомат перекоса, естественно). При малейшей неточности в конструкции такая схема приведет к тому, что вертолет будет реагировать настолько быстро, что человек не сможет им управлять, т.к. лопасти отвечают на циклическое управление очень быстро. Аэродинамические силы, действующие на лопасти велики (в сравнении с весом вертолета, конечно). С другой стороны, лопасти относительно легкие и неизбежно будут быстро реагировать на малейшие изменения угла атаки. Чтобы понять это: две ситуации, изображенные на рис. 2 обычно разделяет несколько сотых секунды. Приложение небольшого, скажем в 5 градусов, циклического управляющего воздействия может вызвать вращение со скоростью более чем на 360° в секунду. Такая реакция сделает машину практически неуправляемой.

Хотя и существуют модели вертолетов без сервооси, они немногочисленны, и за небольшим исключением являются копийными, где выбор между управляемостью и внешним видом был сделан в пользу последнего. Подавляющее большинство моделей вертолетов используют систему управления, располагающуюся между сервомашинками и лопастями для регулировки реакции на циклическое управление. Эти системы во многом различаются, но имеют одну общую черту – сервоось, о которой подробнее в следующий раз.

На этот раз – еще одна часть целиком.

Флайбар и система управления

В прошлый раз я затронул вопрос о реакции модели вертолета на циклическое управление. Мы увидели, что естественное стремление лопастей – избыточно острая реакция на команды. Это происходит потому, что аэродинамические силы велики по сравнению с весом лопастей.

В системе управления, использующейся на моделях, практически без исключений применяется сервоось (флайбар) чтобы справиться с этими трудностями.

Сервоось, как показано здесь, состоит из штыря с закрепленными на нем небольшими плоскостями (лопатками) и подвешена так, что может качаться. Угол атаки лопаток устанавливается циклическим управлением и они реагируют во многом так же, как было показано для лопастей в прошлый раз. Чтобы наклонить сервоось направо угол атаки лопаток увеличивается в задней части вращения ротора и уменьшается – в передней. Это делается просто вращением всего флайбара вдоль его оси. Поскольку сервоось не участвует в создании подъемной силы, аэродинамические силы на лопатках могут быть подобраны для требуемого времени отклика. Лучше всего представлять себе сервоось как гироскоп, наклон которого может управляться циклическим воздействием, а когда управление не приложено, этот гироскоп стремиться поддерживать ось вращения относительно земли, а не фюзеляжа или воздуха. Скорость реакции сервооси на команды может быть отрегулирована следующим образом:

• увеличение веса лопаток замедляет реакцию
• увеличение площади лопаток ускоряет ее
• увеличение оборотов ротора ускоряет ее
• увеличение относительного удлинения (отношение длины к ширине) лопаток ускоряет ее
• увеличение длины сервооси ускоряет ее

Последний пункт неочевиден и требует пояснения. Возьмем лопатки и поставим их на сервоось, удлиненную, скажем, на 10%. Мы:

1. Увеличиваем момент инерции (эффект маховика) сервооси. Это значит, что ей нужно будет сообщить больший момент для поддержания нужной скорости наклона.
2. Однако, отодвигая лопатки от центра вращения, мы увеличиваем плечо рычага, т.ч. при постоянной аэродинамической силе, действующей на лопатки, мы получаем больший момент.
3. В дополнение, отодвигая лопатки, при постоянной скорости вращения ротора, мы увеличиваем линейную скорость лопаток и т.о. увеличиваем действующие на них аэродинамические силы.

Теперь эффект 1) замедляет реакцию сервооси по квадратичному закону, т.ч. увеличение длины сервооси на 10% увеличивает необходимый для поддержания скорости наклона момент примерно на 20%. Однако эффект 3) также действует по квадратичному закону и лопатки, разнесенные на 10% разовьют на 20% большую силу при том же угле установки. Т.о. эффекты 1) и 3) взаимно нивелируют друг друга. Остается эффект 2), линейный, и 10-процентное увеличение длины сервооси ускорит ее реакцию на 10%.

Система Хиллера

Это более простая из двух систем, которые можно встретить на радиоуправляемых вертолетах. В данном случае управляющее воздействие передается от сервомашинок только к сервооси, а углы установки лопастей управляются только ее наклоном. Последовательность событий после приложения циклического управляющего воздействия будет выглядеть так:

1. Циклический шаг лопаток сервооси приводит к тому, что сервоось начинает наклоняться в заданном направлении.
2. По мере наклона сервооси к лопастям начинает прилагаться циклический шаг и они начинают следовать за сервоосью.
3. Момент от лопастей, действуя на фюзеляж, придает ему вращательное ускорение.
4. Скорость вращения вертолета достигает скорости, установленной сервоосью.

Циклическое управление, приложенное к лопастям устанавливается автоматически так, чтобы поддерживать заданную скорость крена. Чем больше ротор запаздывает за сервоосью, тем большее циклическое управление к нему прикладывается и наоборот.

Система Белла-Хиллера

Недостаток простой системы Хиллера – задержка, которую она вносит в реакцию вертолета. Пилот должен ждать реакции сервооси, пока она передаст циклическое воздействие на ротор, это значит, что от пилота требуется некоторая степень опережения при управлении.

Система управления Белла-Хиллера устраняет этот недостаток и применяется практически повсеместно в современных моделях вертолетов. В этой системе циклическое управляющее воздействие передается на сервоось как и в предыдущем случае. Но часть воздействия также передается и напрямую на лопасти и микшируется с циклическим управлением от наклона сервооси. Коэффициент микширования Белла-Хиллера определяет соотношение управляющего воздействия, идущую напрямую от тарелки автомата перекоса и воздействия от сервооси. Теперь при вводе циклического управления лопасти реагируют немедленно. Любое стремление ротора накрениться слишком сильно или слишком быстро ограничивается. Если ротор обгоняет сервоось при крене, управляющее воздействие от сервооси уменьшит циклический шаг лопастей и замедлит крен. Изящность системы Белла-Хиллера заключается в возможности настройки отклика вертолета для соответствия разным требованиям. Для новичка вертолет может быть настроен на небольшую скорость крена, используя тяжелые лопатки. Машина будет все равно быстро реагировать на циклические команды из-за прямой составляющей управления, приложенной непосредственно к лопастям, что позволит ротору накрениться раньше сервооси. Медленно реагирующая сервоось помогает в двух аспектах: ограничивает изначальный наклон ротора и помогает вернуть ротор обратно после снятия команды.

Сервоось в горизонтальном полете

Пока мы рассматривали работу сервооси только в висении, но интересно посмотреть, что с ней происходит в горизонтальном полете.

Обычно лопатки сервооси устанавливаются на нулевой угол. При полете вперед вертолет наклонен носом вниз и через ротор идет нисходящий поток. Это означает, что серволопатки имеют отрицательный угол атаки, и в результате они стремятся отклониться вниз. Однако лопатка на наступающей стороне имеет большую воздушную скорость, и ее сила, направленная вниз, больше, чем у лопатки на отступающей стороне. Т.о. лопатки опускаются на наступающей стороне и поднимаются на отступающей, вызывая наклон диска сервооси вниз в передней части вертолета. Если бы этому эффекту не было противодействия, вертолет постоянно стремился бы опустить нос и снизиться. Что противодействует этому стремлению? Ранее мы увидели, что при полете вперед большая подъемная сила на наступающей стороне диска ротора приводит к стремлению вертолета задрать нос, и необходимо дать ручку циклического шага вперед для ровного горизонтального полета. Естественное стремление сервооси опустить нос в некоторой мере поможет этого достичь без ввода дополнительного управляющего воздействия. Правильное соотношение между двумя противодействующими эффектами зависит от многих факторов: длина сервооси влияет на коэффициент продвижения лопаток. Коэффициент микширования Белла-Хиллера определяет насколько изменяется угол установки лопастей вследствие стремления сервооси опустить нос. Жесткость демпферов и т.п. определяет насколько отклик фюзеляжа отстает от положения ротора. Отклик фюзеляжа определяет пространственное положение тарелки автомата перекоса, которое в свою очередь влияет на угол установки лопаток сервооси и т.д. и т.д. Прижимающее усилие на хвостовом стабилизаторе, лобовое сопротивление хвостового ротора и балки обеспечивают стабилизирующее воздействие на стремление вертолета задрать или опустить нос. Это как раз тот момент, где практически каждая часть вертолета оказывает свое влияние.

Извините за долгое отсутствие, он вот, наконец, последняя часть моего перевода.

В последних статьях мы рассмотрели, как осуществляется циклическое управление по крену и тангажу и как системы Хиллера и Белла-Хиллера позволяют смягчить реакцию вертолета. Мы увидели, что для свободно машущих лопастей максимальный циклический шаг должен быть приложен за 90° до требуемой верхней точки взмаха. Другими словами, для ротора, вращающегося по часовой стрелке, крен вправо вызывается максимальным шагом лопасти над хвостовой балкой, а пикирование – максимальным шагом на отступающей стороне ротора.

В прошлом выпуске я отметил (при рассмотрении полета вперед), что разнос горизонтальных шарниров и жесткость демпферов влияют на маховое движение лопастей, что может привести к возникновению кренящего момента при горизонтальном полете. Разнос шарниров и демпферы влияют и на реакцию вертолета на циклическое управление. Это приводит к тому, что верхняя точка взмаха достигается раньше, т.е. менее чем через 90° после точки максимального циклического шага.

Здесь видно, что происходит, если мы продолжаем прикладывать циклическое управление за 90° до требуемого движения. Обратите внимание, что команда для крена вправо теперь в дополнение вызывает пикирование. Чтобы справиться с данной ситуацией, система управления должна вводить циклическое управляющее воздействие в более поздней точке вращения. Этого можно достичь поворотом тарелки автомата перекоса в направлении вращения ротора. Введение такого запаздывания циклического управления скорректирует реакцию на управление как показано ниже.

Ошибки фазы и система управления.

Системы Хиллера и Белла-Хиллера обладают эффектом уменьшения таких фазовых сдвигов циклического управления, поэтому в большинстве вертолетов не предусмотрено вращения тарелки автомата перекоса. Сервоось системы управления свободно качается и подвешена на оси основного вала (что эквивалентно нулевому разносу горизонтальных шарниров), поэтому она не подвержена такого рода фазовым ошибкам. В системе Хиллера циклическое управление на лопасти подается непосредственно с сервооси, поэтому любая тенденция к неправильному поведению (например, задирание или опускание носа при команде крена) подавляется. Это происходит потому, что любой угол между плоскостью вращения лопастей и сервооси вызывает ввод корректирующего циклического воздействия на лопасти, что заставляет их следовать за сервоосью. Если при команде на крен лопасти будут стремиться наклонить нос вниз, то это стремление будет скомпенсировано вводом противоположного циклического воздействия от сервооси. То же самое происходит и в системе Белла-Хиллера, но из-за того, что часть управляющего воздействия берется непосредственно с тарелки автомата перекоса, степень подавления фазовых ошибок ниже. Если механика позволяет, то постоянная ошибка фазы может быть устранена поворотом тарелки, как отмечалось выше.

Влияние конструкции лопастей

Это довольно-таки сложная тема и здесь я рассмотрю только несколько моментов, таких как расположение центра тяжести, или, точнее, центра вращения, расположение вертикального шарнира (т.е. отверстия под болт) и жесткость лопастей.

Центр вращения

В одной из прошлых статей мы коснулись вопроса о силах, которые определяют угол конусности, а сейчас имеет смысл рассмотреть эти силы подробнее. На рис. 3 показано распределение сил вдоль лопасти. Из-за того, что большая часть подъемной силы создается на быстро движущейся внешней части лопасти, эта сила действует так, как будто приложена к точке на расстоянии 80% длины лопасти от основного вала. Лопасть поднимается на угол конусности до тех пор, пока подъемная сила не будет скомпенсирована перпендикулярной к лопасти компонентой центробежной силы. Центробежная сила действует не в центре тяжести, а в точке, называемой центром вращения (ЦВ). Центр вращения отличается от центра тяжести: при воздействии центробежной силы, масса у оси вращения движется медленнее и вносит меньший вклад, чем масса ближе к концу лопасти. У лопасти, однородной по всей длине, ЦВ находится в 58% от длины лопасти. Добавление груза на конец лопасти выдвигает ЦВ еще дальше. Добавление 25-граммового груза к 70-гаммовой лопасти приведет к смещению ЦВ до точки 70% от длины лопасти. Центр тяжести же будет находиться примерно на 62%.

Рассматривая ЦВ с точки зрения его положения на хорде лопасти, предположим, что лопасть сделана из материала однородной плотности. ЦТ такой лопасти будет располагаться на хорде примерно в 35% от передней кромки. Если лопасть однородна по всей длине (т.е. без грузов), то положение ЦВ на хорде совпадает с ЦТ. Профиль лопасти около передней кромки создает большую подъемную силу, чем около задней и вследствие этого центр подъемной силы (ЦПС) находится всего на 25-м проценте хорды от передней кромки.

Распределение сил на хорде однородной лопасти

На рис. 4 показан вид с конца лопасти. Обратите внимание, что ЦВ лежит позади центра подъемной силы. Подъемная сила, действующая в своей условной точке центра, уравновешивается направленной вниз составляющей центробежной силы, действующей в точке центра вращения. Расстояние между точкой приложения подъемной силы и точкой ЦВ вызывает скручивающее усилие или пару сил, которые стремятся выгнуть переднюю кромку вверх и тем самым увеличить угол атаки. Если лопасть подвержена скручиванию, то увеличение подъемной силы будет еще более резко выражено из-за увеличения коэффициента подъемной силы вследствие скручивания лопасти вверх. Такое взаимодействие между подъемной силой и скручиванием может вызвать колебания, называемые флаттером: при этом конец лопасти входит в сильные крутильные колебания, которые могут сделать вертолет неуправляемым или разрушить структуру лопасти.

Для предотвращения флаттера ЦВ должен быть перенесен в точку центра подъемной силы или перед ней. Для этого деревянные лопасти делаются с использованием твердой древесины в передней кромке и бальзы – в задней. Груз, добавленный к передней кромке, переносит ЦВ еще больше вперед. Груз, установленный у конца лопасти, оказывает большее влияние, чем установленный у комля, т.о. грузы в передней кромке на концах лопастей могут значительно вынести ЦВ вперед на хорде относительно ЦТ.

На рис. 5 показано как при добавлении груза в переднюю кромку ЦВ смещается вперед перед центром подъемной силы. Теперь крутящее усилие направлено в обратную сторону и стремится уменьшить угол атаки. Т.о. увеличение подъемной силы будет сопровождаться скручиванием лопасти вниз, уменьшая коэффициент подъемной силы. Это смягчает изменения подъемной силы и предотвращает флаттер. На практике же флаттер прекращается и при расположении ЦВ недалеко позади от ЦПС. Чем более устойчива лопасть к кручению, тем дальше они могут быть размещены.

Нагрузка на систему управления

Интересно рассмотреть моменты, которые лопасти прилагают к шарнирам, потому что эти моменты должны быть скомпенсированы системой управления и, в конце концов, сервомашинками, особенно – сервомашинкой коллективного шага. Здесь конструкция головки ротора оказывает огромное воздействие на поведение конкретного набора лопастей. Сначала мы исключим из рассмотрения угол запаздывания. Разберем ситуацию с лопастями без грузов.

Рис. 6. Лопасть без груза с крепежным отверстием, находящимся на линии ЦВ.

На рис 6. мы видим, что если отверстие для болта (которое работает как вертикальный шарнир) находится на одной линии с центром вращения, расположенным примерно на 35-м проценте хорды, то центр подъемной силы будет лежать перед осью осевого шарнира. Т.о. подъемная сила вызывает момент, стремящийся увеличить угол атаки. При наличии люфтов в тягах коллективного шага это может вызвать довольно резкую реакцию на изменение шага.

Рис. 7. Лопасть с грузом в передней кромке конца лопасти.

На рис. 7 ЦВ был смещен вперед и к концу лопасти добавлением груза в переднюю кромку. Теперь центр подъемной силы находится позади оси осевого шарнира и вызывает момент, стремящийся уменьшить угол атаки. Это сглаживает эффект от люфта тяг и дает более мягкую реакцию на управление коллективным шагом.

Рис. 8. Лопасть без груза с крепежным отверстием, перенесенным к задней кромке.

На рис. 8 видно, что ЦВ обычно лежит ближе к комлю, чем ЦПС. Перемещение крепежного отверстия ближе к задней кромке отклоняет лопасть назад, а также перемещает назад ЦПС. Обратите внимание на рис. 7, где добавление груза смещает ЦВ к концу лопасти в направлении центра подъемной силы. Это делает перенос крепежного отверстия менее эффективным, чем на лопасти без груза.

Рис. 9. Влияние угла запаздывания на расстояние между осью осевого шарнира и центром подъемной силы.

Теперь нужно рассмотреть эффект от угла запаздывания. Этот угол вызывается моментом, передаваемым головкой ротора на лопасти через вертикальный шарнир. Из рис. 9 видно, что угол запаздывания перемещает ЦПС назад относительно оси осевого шарнира и т.о. производит момент, стремящийся наклонить переднюю кромку вниз вокруг осевого шарнира. Угол запаздывания изменяется от нуля (или слегка отрицательного) во время авторотации до своего максимального значения при большой нагрузке (высоких перегрузках), особенно если обороты ротора (и т.о. центробежная сила) малы. Здесь начинает оказывать влияние конструкция ротора, потому что угол запаздывания зависит от расстояния между вертикальными шарнирами. Чем больше это расстояние, тем меньше угол запаздывания (см. рис. 10).

Подводя итоги, распределение массы внутри лопасти важно, потому что сочетание заднего ЦВ и большой гибкости на кручение делает лопасть подверженной флаттеру. Однако слишком передний ЦВ может вызвать большую нагрузку на сервомашинку коллективного шага. Это особенно проявляется при небольшом расстоянии между вертикальными шарнирами, которое вызывает большой угол запаздывания при подъеме или маневрах с большими перегрузками.

Как новый русский: читал Ваш перевод. Много думал.

Заткнулся на Этом:

Вертикальное движение лопастей уменьшает угол атаки при подъеме лопасти (на наступающей стороне) и увеличивает его при спуске лопасти. При свободно совершающих маховые движения лопастях изменение угла атаки возникает естественным образом и не требует специальной конфигурации головки ротора. Такое циклическое изменение угла атаки устраняет дисбаланс в подъемной силе отступающей и наступающей сторон.
[/quote]

Не могу представить как это может быть. 😃

Может у кого нибудь есть доходчивое объяснение

МОДЕРАТОР:
Автор - не отвечает , АВТОР - переводит.
Прошу - задавать вопросы, в тематической ветке или в иных разделах форума.

МОДЕРАТОР:
Автор - не отвечает , АВТОР - переводит.
Прошу - задавать вопросы, в тематической ветке или в иных разделах форума.

Скажите пожалуйста, а есть полный перевод этого издания. Хочется знать теорию… но на руссокм

интересно!

Раньше эта тема была прилеплена, а сейчас пришлось гуглом искать. Модератор, может всё-таки прилепить наверху?

тут пора перейти к поведению вертолета в пространстве.
устойчив ли классический вертолет и почему.
как объяснить кажущуюся устойчивость общеизвестной соосной “ламы” или она действительно устойчива? основываясь на законах механики.

мои мысли по поводу Гироскопической Прецессии и полета вертолета: rcopen.com/blogs/26427

тут пора перейти к поведению вертолета в пространстве.
устойчив ли классический вертолет и почему.
как объяснить кажущуюся устойчивость общеизвестной соосной “ламы” или она действительно устойчива? основываясь на законах механики.

У ней, если не ошибаюсь, флайбар системы Хиллера работает на верхний ротор.
Просто в таком случае верхний ротор старается сформировать поток строго перпендикулярный плоскости вращения флайбара (которая кстати задается уровнем стартовой площадки) и управление вертолетом на это не влияет. Поэтому вертолеты подобной двухосной схемы имеют медленный отклик на управление и медленную скорость.
Попробуйте запускать соосник с наклонной поверхности - дюже резво летит в сторону наклона

наверное так и есть. а вот мои мысли по этому поводу: rcopen.com/blogs/26427/7476

хотя понять как работают два маховика гироскопа для меня не очень просто.