[an error occurred while processing this directive]

Автожир А-002

Автожир – это летательный аппарат, имеющий несущий винт, свободно вращающийся под действием набегающего потока воздуха и создающий подъемную силу. Двигатель на автожире служит для создания тяги, обеспечивающей поступательное движение.
Автожир обладает комплексом свойств, который не присущ более ни одному типу летательных аппаратов.
Главным и наиболее ценным свойством автожира является его безопасность. Она достигается:
– отсутствием режима сваливания при потере поступательной скорости;
– возможностью при отказе двигателя выполнить посадку на неподготовленную площадку, соизмеримую с размерами самого аппарата;
– малой чувствительностью к атмосферной турбулентности.
Кроме того, собственные динамические свойства автожира обеспечивают его безопасную летную эксплуатацию непрофессиональными пилотами (эффективность управления почти не зависит от скорости, изменение параметров полета происходит плавно, ошибки пилотирования не приводят к критическим последствиям).
Наш интерес к автожирной тематике имеет достаточно давнюю историю. Как, наверное, многих из тех, кто когда-либо пытался заниматься этими удивительными летательными аппаратами, нас мучил вопрос – почему? Почему автожиры, так неплохо летавшие в 30–40-х годах, не получили в дальнейшем широкого применения? Почему аппарат, обладающий уникальными свойствами, безопасный по своей сути, не занял достойного места в авиации?
Пытаясь ответить на эти и многие другие вопросы, начинаешь задумываться, а на самом ли деле автожиры так уникальны и безопасны? Другого пути и способа получить достоверную информацию, кроме как проверить все на практике, нет.
Примерно в 1975-1976 годах инженером кафедры конструкции двигателей Иркутского высшего военного авиационно-инженерного училища Глебом Борисовичем Галькевичем был построен одноместный автожир. Он, к сожалению, не летал (сгорел в пожаре), но при его создании встретились люди, чей интерес к автожиру не закончился этим эпизодом. Это Владимир Акимович Ермолаев, преподаватель кафедры ремонта Иркутского ВВАИУ, и Андрей Павлович Татарников, в то время курсант.
Испытания двухместного автожира
История получила продолжение уже в конце 80-х годов, когда на кафедре аэродинамики и динамики полета Иркутского ВВАИУ после проведения ряда НИР были созданы методы, позволяющие с достаточной степенью достоверности рассчитать характеристики авторотирующего несущего винта. Основным разработчиком математических моделей был старший преподаватель кафедры аэродинамики, динамики полета и боевого маневрирования кандидат технических наук Янис Янович Ранцан. На основе полученных результатов преподавателем кафедры А. П. Татарниковым и начальником лаборатории Игорем Анатольевичем Широковым был спроектирован и построен двухместный автожир. Неоценимую помощь оказали "ветераны" В.А. Ермолаев и Г.Б. Галькевич. Основной целью его создания являлось определение достоверности расчетных методов и получение информации на практике.
В то время не было подходящего двигателя для автожира и первые полеты проводились на буксире за автомобилем, затем установили старенький изношенный двигатель РМЗ-640, с которым удавалось "подпрыгивать" до 15 метров.
Можно сказать, что второе рождение автожира произошло в 1998 году, когда на него установили двигатель Rotax-582. На этот раз автожир показал себя очень хорошо: летал при боковом ветре 10–12 м/с, совершал крутые снижения, летал под кромками кучевых облаков на высоте 500 м, совершал крутые развороты на высоте 2–4 метра, одним словом, показал то, что от него ждали, при этом были подтверждены и расчетные характеристики. Это произошло уже на ИАПО – в ОКБ ЛА, где программа автожира получила свое дальнейшее развитие.
Отдельно нужно рассказать о предыстории ОКБ ЛА на ИАПО. В конце 80-х годов группой энтузиастов были подготовлены для серийного производства дельтапланы "Славутич-УТ" и "Градиент-УТ", которые на предприятии выпускали довольно длительное время. Для дальнейшего развития направления сверхлегкой авиации в рамках тогдашней конверсии производства в составе серийного конструкторского отдела было создано КБ. Взяв за основу довольно сырую и никогда не строившуюся даже в опытном экземпляре разработку ОКБ им. А. С. Яковлева – мотодельтаплан "Галс-5", это конструкторское бюро в составе А.И. Столермана, А.Н. Терещенко и др. довело его до летного состояния, после чего "Галс-5" был запущен в серийное производство. Практически вся конструкция этого мотодельтаплана была переработана, летные характеристики и ресурс были доведены до приемлемого уровня, после чего он получил обозначение "Иркут-1", много аппаратов этого типа летают до сих пор. По отзывам владельцев "Иркут-1", – аппарат надежный с хорошими летными характеристиками. Немалая заслуга в этом принадлежит дельтапланеристам-испытателям В. Б. Белякову и А. В. Криво.
МДП "Иркут-1" демонстрировали на МАКС-95 и МАКС-97. В 1996 году, после образования ОКБ ЛА, были разработаны модификации МДП "Иркут-1" на лыжном и поплавковом шасси, с сельхознавеской и несколькими типами двигателей. На базе мототележки были построены и испытаны аэросани. В это же время ОАО ИАПО получило сертификат разработчика АР МАК.
15 февраля 1999 года был подписан приказ о создании автожира А-002. ОКБ ЛА вплотную приступило к разработке опытного образца. Работы по созданию автожира возглавил технический директор ОАО ИАПО Александр Алексеевич Вепрев и его первый заместитель Сергей Иннокентьевич Григорьев.
МДП "Галс-5"
Для того, чтобы четко сформулировать задачи и определить основные концептуальные решения, был проведен углубленный статистический анализ использования АОН США и Канады за двадцатилетний период. В результате для разных классов летательных аппаратов (1–4-местных) были получены количественные характеристики общегодового налета, соотношения целей полетов, средние скорости полета, протяженности маршрутов, расходов топлива, коэффициентов загрузки и т.д. Эти данные помогли нам выявить основные закономерности и определить необходимый комплекс потребительских свойств будущего аппарата с учетом особенностей нашей страны. Эти особенности определяют следующие требования к автожиру:
– возможность безаэродромного базирования и автономной эксплуатации (независимость от авиационных инфраструктур) при обеспечении дальности полета не менее 600 км;
– возможность использования неподготовленных площадок, выбранных с воздуха;
– реализация крутых траекторий снижения и набора высоты при наличии препятствий;
– возможность хранения в автомобильном гараже;
– использование автомобильных сортов бензина и масла;
– обязательно закрытая обогреваемая кабина и достаточные размеры ее для свободного размещения людей и грузов и т.д.
МДП "Иркут-1"
Исходя из анализа всех факторов, формирующих облик аппарата, было разработано уравнение существования автожира и определена его оптимальная размерность. Для того, чтобы автожир занял свою нишу, а не стал еще одним неудачным опытом, примеров которых множество, надо было сделать так, чтобы автожир был доступен широкому кругу потребителей как по цене, так и по эксплуатационным свойствам, имел высокий уровень безопасности и был прост в управлении. Помимо этого он должен иметь достаточный ресурс, минимальные ограничения по условиям эксплуатации, невысокие расходы на свое содержание, допускать возможность глубокой модификации базовой модели в соответствии с желаниями покупателя, иметь широкий диапазон центровок и вариантов загрузки. Кроме того, конструкция автожира должна была удовлетворять требованиям АП-27 для его сертификации в АР МАК.
Начальник ОКБ ЛА В. С. Федосеев
Для уменьшения стоимости разработки и сроков изготовления опытного образца автожира на серийном авиационном предприятии возникла необходимость заложить в конструкцию простые и технологичные решения, позволяющие избежать большого количества сборочной оснастки и обеспечить высокую степень технологической унификации с основными изделиями ОАО ИАПО.
Одним из основных факторов, сопутствующих продвижению нашего проекта, стало то, что А-002 с начала и до конца был спроектирован с применением компьютерных технологий.
A-002
К началу проектирования автожира мы полностью избавились от кульманов и перешли к ЭВМ. Благодаря этому проект автожира стал пробным шаром в освоении предприятием нескольких программных продуктов. Наверное, нет никакого смысла подробно описывать те возможности, которые получает конструктор, применяя ЭВМ. С помощью программы AutoCAD R14 нами были спроектированы электронные модели кабины, силовой каркас, хвостовая балка, т.е. практически все агрегаты, за исключением обтекателей и зализов сложной формы, для которых использовался более мощный в математическом плане Unigraphics. Хочется отметить, что на начальном этапе проектирования трехмерные теоретические обводы кабины, весь силовой каркас автожира и втулка несущего винта были прорисованы на компьютере Pentium 133 с оперативной памятью 32 Мбайт. Практический опыт показывает, что это возможно, хотя и сопряжено с большими затратами времени.
Опоры шасси имеют пластинчатую резиновую амортизацию
Благодаря внедрению компьютерных технологий проект А-002 не пошел по стандартному пути плазово-шаблонной увязки. Вся оснастка, необходимая для производства обводообразующих деталей, изготавливалась по программам на станках с ЧПУ. Источниками для этих программ являлись трехмерные электронные модели, которые по внутризаводской компьютерной сети передавались производственным и другим подразделениям завода. Контроль изготовленной оснастки производился на контрольно-измерительных машинах, при этом эталоном вновь являлись электронные модели. В результате при сравнительно сложных теоретических обводах автожир был изготовлен с минимальным количеством шаблонов и производственной оснастки.
Автожир имеет модульную конструкцию, состоящую из модуля кабины, хвостового модуля, шасси, силовой установки и авторотирующей несущей системы, которая включает в себя втулку несущего винта с лопастями, установленную на пилон.
Втулка несущего винта установлена на пилоне
Основой модуля кабины является силовая статически неопределимая рама коробчатого сечения, к которой прикреплены тонкие обводообразующие обшивки, здесь же размещены системы и оборудование. Кабина и топливная система изолированы от силовой установки противопожарными перегородками.
Хвостовой модуль состоит из легкосъемной балки клепаной конструкции с установленным на ней оперением. Оперение включает в себя управляемый стабилизатор и киль с рулем направления. Руль направления выполнен с аэродинамической роговой и весовой компенсацией. Стабилизатор, руль направления и носок киля выполнены из композитных материалов, кессон киля – клепаной конструкции.
Шасси автожира А-002 – трехколесное с носовым колесом. Опоры шасси имеют пластинчатую резиновую амортизацию. Носовая стойка управляемая. Колеса основных опор с гидравлическими дисковыми тормозами. На хвостовой балке установлен титановый костыль, служащий для предотвращения удара балкой о ВПП на взлете и посадке.
Втулка несущего винта установлена на пилоне, который имеет возможность складывания, при этом лопасти отводятся назад и крепятся к килю.
Силовая установка – поршневой двигатель Teledyne Continental IO-360ES и ВИШ.
Автожир оснащен системой предварительной раскрутки и подтормаживания ротора.
Кабина автожира А-002 – закрытая, хорошо обтекаемая, предназначена для перевозки двух человек с грузом (не считая пилота).
Опытный образец автожира имеет двойное управление.
Двигатель Teledyne Continental IO-360ES
Управление автожиром в продольном и поперечном каналах осуществляется посредством механизма, аналогичного автомату перекоса. Система управления оснащена механизмом триммерного эффекта, кнопка управления которым расположена на ручке управления. Автожир имеет рычаг управления общим шагом несущего винта, ручки управления системой предварительной раскрутки и подтормаживания ротора, РУД, ручку управления шагом ВИШ. Управление в канале курса осуществляется рулем направления (РН). Проводка управления – тросовая. Дополнительным средством продольной балансировки автожира является управляемый стабилизатор, имеющий электромеханический привод. Управление стабилизатором в полете осуществляется при помощи кнопки, расположенной на ручке управления.
Кабина автожира А-002 – закрытая, хорошо обтекаемая
Автожир оснащен системой предупредительной сигнализации для исключения ошибок пилота и соответствующими средствами блокировки, предотвращающими последствия неправильных действий.
Некоторые особо важные элементы конструкции и систем имеют резервирование.
Состав оборудования базового варианта обеспечивает летную эксплуатацию по правилам визуального полета вне воздушных трасс, в простых метеоусловиях, днем. По желанию покупателя состав приборного оборудования и условия эксплуатации автожира могут быть расширены.
На рис.1 приведена компоновочная схема одного из вариантов автожира А-002.
Все ЛТХ получены расчетным путем с использованием "классических" хорошо зарекомендовавших себя методов и новых разработок. Отметим, что все конструкторские решения, принимаемые в процессе проектирования, основывались на результатах численного моделирования с использованием программных продуктов собственной разработки.

Рис. 1. Компоновочная схема автожира

Основные летно-технические характеристики автожира
Характеристика Значение
Нормальная взлетная масса, кг 750
Максимальный запас топлива, кг 150
Число пассажиров 2
Диаметр ротора, м 9,68
Хорда лопасти, мм 220
Длина автожира (без ротора), м 5,5
Высота автожира, м 3,1
Kолея шасси, м 2,4
База шасси, м 2,0
Мощность двигателя, л.с. 210
Диаметр маршевого воздушного винта, м 1,9
Диапазон скоростей, км/ч 50...210
Kрейсерская скорость, км/ч 140...160
Скороподъемность, м/с 4,9
Максимальная эксплуатационная перегрузка 3,5
Максимальная дальность, км 600

Расчет любого винтокрылого аппарата обязательно включает определение собственных форм и частот колебаний, в первую очередь несущего винта. Особенностью авторотирующего НВ является непостоянство частоты вращения, что затрудняет обеспечение отсутствия резонансов во всем диапазоне эксплуатационных оборотов. В зависимости от характера криволинейного движения автожира частота вращения может сильно "гулять", и при некоторых пороговых значениях количественные изменения переходят в качественные.
С точки зрения флаттера опасно увеличение частоты вращения НВ. С точки зрения прочности опасно как увеличение частоты вращения, так и уменьшение – для винта на качалке с жесткой заделкой лопасти в комле, т.к. при этом уменьшается разгружающее действие центробежной силы и значительно увеличивается изгибающий момент в комлевой части. Конструктивный угол конусности обеспечивает примерное равенство нулю изгибающего момента для одного режима, соответствующего определенному сочетанию тяги ротора и центробежной силы. Исходя из обеспечения запаса авторотации, опасно падение оборотов.

Рис. 2. Область срыва, Н=0, 200 км/ч

При вводе в пикирование частота вращения ротора падает. При очень энергичном вводе может развиться явление затягивания в пикирование. Физика его такова: при повороте автожира на пикирование частота вращения падает (потому что для этого уменьшают угол атаки ротора, но есть и другие причины), соответственно уменьшается тяга ротора. При уменьшении тяги НВ автожир опускает нос, т.е. способствует дальнейшему уменьшению угла атаки ротора, повороту на пикирование и соответственно падению оборотов. Явление происходит при некоторой критической угловой скорости тангажа (ее величина достаточно большая) и связано с увеличением до срывных значений местных углов атаки в секторе отступающей лопасти. Эта особенность характерна для любого автожира, что подтверждено результатами численного моделирования.
На рис. 2а приведены границы области срыва в ГП для нескольких углов установки лопасти (по сечению 0,7), на рис. 2б – то же самое при повороте на пикирование с угловой скоростью wz = -20 град/с.
При вводе в правый крен частота вращения НВ уменьшается. При кренении вправо угол атаки ротора нужно увеличивать, при кренении влево – уменьшать для сохранения исходного режима работы НВ. Увеличение угла атаки ротора и связанное с этим возрастание положительной перегрузки может привести к значительной раскрутке ротора.
Из-за аэродинамической несимметрии НВ лопасти находятся в различных условиях обтекания. На большинстве режимов в наступающем азимуте лопасть тормозится, противоположная (в отступающем секторе) – ускоряется. Разница моментов в плоскости вращения замыкается на втулку, вызывая периодический (2 раза за оборот) изгиб лопасти и рукавов втулки в плоскости вращения. Переменный изгибающий момент, действующий в плоскости вращения, обусловленный аэродинамической несимметрией, увеличивается с ростом скорости и при вводе в пикирование. Физическое ограничение по темпам дачи ручки "от себя" и максимальной скорости также обусловлено увеличением знакопеременного изгибающего момента в плоскости вращения. Нами предложен критерий численной оценки вклада каждого элемента в авторотацию, который представляет собой произведение проекции на плоскость вращения коэффициента равнодействующей аэродинамической силы в сечении на относительный радиус сечения (плечо ускоряющей или замедляющей силы) и на отношение скоростных напоров в сечении к окружной скорости. Для наглядности на рис. 3 показано распределение коэффициентов моментов, ускоряющих либо тормозящих элементы лопасти по диску. Характер распределения изменяется главным образом от m.
При приближении m к нулю (т.е. к осевой авторотации) наиболее несущая область стремится к кольцу, охватывающему диск НВ со средним радиусом, равным приблизительно 0,7R.
Характер изменения по азимутам момента в плоскости вращения, замыкаемого на втулку и вызывающего ее изгиб (Му), и момента, ускоряющего либо замедляющего ротор (Ма), для одного из практически установившихся режимов полета на небольшом m представлены на рис. 4а.
На рис. 4б показана зависимость максимального (по абсолютной величине) значения Му от m для трех различных углов общего шага.
Пример влияния геометрической крутки на характер распределения углов атаки по диску в сходных условиях полета для лопастей, имеющих отрицательную (вертолетную), нулевую и положительную крутку, представлен на рис. 5 а, б и в соответственно.

Рис. 3. Распределение элементарных моментов по диску авторотирующего НВ

Мхупр – момент, нагружающий канал крена; Мzупр – момент, нагружающий канал тангажа; Мош – момент, нагружающий канал общего шага; Мш1 – шарнирный момент первой лопасти (идущей от азимута 0° ); Мш2 – шарнирный момент второй лопасти (идущей от азимута 180° ) Рис. 6. Шарнирные моменты

Рис. 4

Рис. 5. Распределение углов атаки по диску

В полете на лопасть действуют аэродинамические силы, которые за оборот НВ принимают различное значение в зависимости от азимута вследствие несимметрии обтекания. Относительно осевого шарнира лопасти возникает переменный по величине момент, который в сумме с моментами других сил создает шарнирный момент лопасти. Сумма шарнирных моментов лопастей нагружает канал общего шага автожира, в то время как их разница – периодически за оборот нагружает каналы крена и тангажа системы управления ротором.
Значительную долю в общий шарнирный момент вносят силы, действующие в плоскости вращения. Шарнирный момент создается действием этих сил при деформациях упругой лопасти в плоскости тяги. Если сила в сечении тормозит лопасть, которая изогнулась вверх, то она вызывает шарнирный момент, увеличивающий угол установки.
Задача определения нагрузок нелинейна, особенно вблизи больших скоростей полета. Это объясняется преобладанием аэродинамических шарнирных моментов, которые зависят в том числе и от положения фокуса профиля лопасти, изменяющего свое положение от числа М. Другие компоненты шарнирных моментов (от центробежных сил, сил Кориолиса, пропеллерные моменты, моменты, обусловленные особенностями кинематической схемы и т.д.) также вносят свой вклад в нагружение проводки.
Характер изменения по азимуту шарнирных моментов и моментов, передающихся на проводку системы управления, для одного из установившихся режимов полета представлен на рис. 6а. Диаграмма, показывающая соотношение моментов, передающихся в каналы крена и тангажа (характеризует вождение ручки циклического шага дважды за оборот ротора), показана на рис. 6б.
Очень важно изучение параметров махового движения лопастей НВ автожира и в особенности устойчивости махового движения при различного рода внешних воздействиях: порывах, изменении режима полета, маневрах аппарата.
Для примера на рис. 7 представлен характер переходного процесса изменения угла взмаха лопасти автожира при действии кратковременного сильного порыва ветра справа на режиме раскрутки ротора.
Решение этого вопроса, в частности, позволяет устанавливать обоснованные полетные ограничения, допустимые значения скорости ветра при раскрутке ротора и т.д. Пренебрегая ими, можно столкнуться с явлениями, связанными с неустойчивостью махового движения, которые могут привести к развитию критической ситуации.

Рис. 7. Угол взмаха лопасти при действии порыва

Часто не учитываются паразитные кинематические связи, возникающие из-за деформаций конструкции. Иногда статический расчет деформаций, даже если он проводится, может дать неверный результат, если частоты возбуждающей силы приближаются к собственным частотам агрегатов (например, относительно нежесткого пилона с тяжелой сосредоточенной массой втулки наверху). Поэтому необходим тщательный анализ аэроупругости конструкции.
В ОКБ ЛА наряду с традиционными методами строительной механики при расчете прочности широко применяются методы конечных элементов. Для этого используются программы Design Space, Nastran, Mechanical Desktop и программы собственной разработки.

Рис. 8.  Напряжения в качалке (расчет методом КЭ)

Наибольшую сложность при расчете на прочность представляет определение нагрузок, особенно на переходных и неустановившихся режимах.
В ОКБ ЛА разработана имитационная модель пространственного управляемого движения автожира, которая служит инструментом для решения ряда задач. Она позволяет моделировать полет автожира и определять нагрузки, действующие на любой элемент конструкции, набрать статистику (спектры нагрузок на различных режимах), разработать методики пилотирования и исследовать поведение при воздействии атмосферной турбулентности, на критических режимах, оптимизировать закон управления, осуществлять сопровождение летных испытаний.
При выполнении "полетов" на имитационной модели были выявлены некоторые интересные явления. В частности, это явление, напоминающее "подхват" по своим внешним проявлениям при выполнении взлета автожира с предельно задним положением центра масс.

Рис.9 – Пример выполнения полета на имитационной модели

Рис.9 – Пример выполнения полета на имитационной модели

В качестве примера на рис. 9 приведены результаты выполнения полета на имитационной модели.
К настоящему времени автожир находится на заключительном этапе подготовки к летно-конструкторским испытаниям. На него устанавливается система бортовых измерений, регулируются системы, идет приемка агрегатов ОТК и представителем Заказчика, выполняющим функции независимой инспекции АР МАК. Уточняется и приводится в соответствие с действующей в отрасли НТД конструкторская и технологическая документация.
В ближайшее время мы планируем провести взвешивание, определить центровки и моменты инерции, выполнить окончательную отработку всех систем, включая силовую установку.
Параллельно разрабатываются программы летных испытаний, РЭ и РЛЭ, идет доводка имитационной модели автожира, на которой отрабатываются основные приемы пилотирования автожира и определяются предварительные ограничения на период проведения летных испытаний, которые будут проводиться с привлечением специалистов ФГУП СибНИА им. С. А. Чаплыгина.
Наверное, нашим самым большим достижением стало то, что в процессе работы над проектом сформировался немногочисленный работоспособный конструкторский коллектив: начальник ОКБ ЛА В. С. Федосеев, имеющий большой опыт работы в авиапромышленности, ведущий конструктор ОКБ ЛА А. П. Татарников – главный идеолог проекта, А. А. Бурмистров – один из опытнейших специалистов старшего поколения, Д. В. Беляш – ведущий конструктор по планеру и системам, инженеры-конструкторы А. А. Калмыков и О. Е. Полынцев, занимающиеся расчетами и программированием, инженеры-конструкторы А. А. Прядкин, Л. Н. Шимко.
В своем составе ОКБ имеет опытно-производственный участок, где производилась агрегатная сборка и доводочно-регулировочные работы. Здесь трудятся А. К. Суворов, А. М. Выборов, С. Н. Лядов, А. В. Криво, Л. А. Третьякова, Е. В. Юринский.

Д. Беляш, А. Калмыков, О. Полынцев, А. Татарников (Иркутск)

[an error occurred while processing this directive]