АКРОБАТИЧЕСКИЕ ТРЮКИ

“АКРОБАТИЧЕСКИЕ ТРЮКИ”
ВЕРТОЛЕТОВ
С.Н. Шмидт
ВВЕДЕНИЕ
Очень часто вертолеты, при определенных режимах, проявляют “непонятную
неустойчивость”. Но, если проанализировать “акробатические трюки” вертолетов, то
можно заметить и определенную закономерность.
Вышеприведенные кадры аварийной посадки, наглядно показывают, как корпус вертолета
начинает вращаться в направлении вращения несущих винтов, а сам вертолет
заваливается на левый бок. Такое вращение корпуса не может быть вызвано ошибкой
пилота и его обычно связывают с “заклиниванием” редуктора или разрушением
подшипников. Действительно, “заклинивание” привода несущего винта вызовет подобное
вращение корпуса. Но возникает много вопросов.
Управление несущими винтами состоит из двух систем: управления общим шагом лопастей
и управления циклическим шагом лопастей.
Управление общим шагом лопастей осуществляется одновременным поворотом их в осевом
шарнире относительно продольной оси лопасти посредством рычагов и тяг и служат для
изменения вертикального режима полета: при одновременном увеличении угла установки всех
лопастей вертолет поднимается; при одновременном уменьшении углов - опускается.
Циклическое управление шагом лопастей выполняется автоматом перекоса, изобретенным
Б.Н. Юрьевым в 1911 году. Автомат перекоса расположен на оси винта и состоит из двух
колец, подвешенных на кардане к неподвижной опоре. Внутреннее кольцо соединено с тягами
продольного и поперечного управления; внешнее кольцо - с тягами, управляющими лопастями.
Под действием тяг управления внутреннее кольцо автомата перекоса наклоняется, вызывая
синусоидальное изменение углов установки лопастей в осевом шарнире и появлением
горизонтальной составляющей тяги несущего винта, которая вызывает поступательное
движение вертолета и наклоняет его в сторону движения.
Рис. 2
Продольное и поперечное управление вертолетом осуществляется через автоматы перекоса;
путевое управление - изменением шага лопастей хвостового винта (на одновинтовых
вертолетах) или одновременным изменением общего шага лопастей в противоположных
направлениях (на соосных вертолетах). При переходе на режим безмоторного планирования
(режим самовращения несущих винтов) опусканием рычага общего шага уменьшают угол
установки лопастей до 3-5 градусов.
Как видим, ось вращения винта имеет очень жесткую ориентацию относительно корпуса
вертолета. Винт и двигатель соединены между собой посредством передачи, включающей
редуктор и муфту сцепления.
При повороте лопастей, момент инерции винта относительно оси вращения должен
оставаться постоянным. Но из-за колебательных движений лопастей в воздушном потоке,
момент инерции винта изменяется, что приводит к появлению вибраций.
В последнее время стали применять жесткие лопасти, исключающие или уменьшающие
их колебания, что повысило устойчивость и управляемость вертолета.
“Заклинивание” может происходить только между деталями привода.
Заметим, что при “непонятных” авариях происходит воздействие несущего винта на всю
систему, но никак не двигателя. Винт превращается в инерционный двигатель,
раскручивающий корпус вертолета.
Очень хорошо это видно на примере увеличения скорости вращения двигателя при
потере подъемной силы у вертолетов Robinson (… во всех случаях обстоятельства
авиакатастроф были сходными - неожиданно увеличивались обороты двигателя, он
терял высоту и падал).
Но какие силы могут вызвать изменение скорости вращения несущего винта?
Существующая теория может увязать этот процесс только с изменением свойств
воздушного потока. Но для этого необходимо, чтобы вертолет попал в мощную струю
воздушного потока.
Но большинство аварий происходит в режиме малых горизонтальных скоростей при
взлете и посадке в нормальных погодных условиях.
Воздушный поток, способный изменить скорость вращения винта должен также
воздействовать и на корпус вертолета, приводя к изменению горизонтальной скорости,
что, в свою очередь, приведет к выравниванию относительной скорости потока и
вертолета.
Поэтому версию аэродинамического воздействия необходимо отбросить.
Получается, что по “непонятным” причинам винт вертолета приобретает дополнительный
тормозной или разгонный момент, не связанный с аэродинамикой и работой двигателя.
При этом тормозной момент может вызвать остановку двигателя, поломку редуктора и
подшипниковых узлов. Разгонный момент в основном влияет на динамику движения
всего вертолета.
Что же происходит?
ПРИМЕРЫ АВАРИЙ
Из истории вертолетов Братухина:
Рис. 3
Вертолет Б-11 — это наиболее доведенная из всех машин ОКБ-3.
При испытаниях выявилась приверженность этих машин вибрациям, что стало
причиной катастрофы — 13 декабря 1948 года из-за отрыва лопасти разбился один из Б11. Погибли летчик-испытатель К.И.Пономарев и бортрадист И.Г.Нилус. В ходе
дальнейших доработок вибрации удалось устранить.
ВИНТОКРЫЛАЯ “ОМЕГА”. О вертолетах конструктора И.П.Братухина
Испытания, как вспоминал А.М.Загордан, бывший в то время помощником ведущего
инженера, нередко сопровождались аварийными ситуациями. Однажды Долгов и Марьин
отправились в свой первый полет по кругу. После положенного контрольного висения
вертолет перешел в набор высоты, но, не успев подняться на несколько метров, резко
завалился влево. Долгов выключил двигатели, и машина рухнула на взлетную полосу.
Расследование летного происшествия показало, что сломалась нижняя пластинчатая
муфта вертикального вала, соединявшего редукторы двигателя и левого НВ.
После ремонта “Корректировщика артиллерийского огня”, испытания продолжили, и в
январе 1947-го А.К. Долгов и штурман Т.Ф. Горбунов выполнили первый удачный полет
продолжительностью 15 минут на высоте 600 м. Но несколько дней спустя произошло
трагическое событие. 7 января, вскоре после взлета, Г-3, пилотируемый Долговым и
штурманом В.В. Ковыневым, рухнул на землю в нескольких километрах от аэродрома. До
этого машина выполнила 119 полетов, налетав почти 28 часов, из них 17 полетов – в
Чкаловской. Расследование показало, что причиной аварии стало разрушение
подшипников и поломка вала нижнего редуктора правого НВ. Предусмотренная на
геликоптере возможность полета на одном работающем моторе не могла быть
использована, так как разрушившийся редуктор привел к большому тормозному моменту
вращения НВ. А малая высота не позволила воспользоваться режимом “авторотация”.
Уже было построено десять “Омег”, подготовлено с десяток летчиков, выявлены и
устранены многие дефекты, но аварии продолжались.
В апреле 1947-го на испытания поступил второй экземпляр Г-4 “Дублер”. В отличие от
предшественника, на “Дублере” установили новые лопасти НВ с геометрической
круткой, что благоприятно сказалось на его летных характеристиках. Налетав лишь 16
час. 18 мин., в январе 1948-го он потерпел серьезную аварию. Заходя на посадку, Г-4,
пилотируемый М.К.Байкаловым, с высоты 50-60 м стал снижаться быстрее чем обычно
и где-то на 10 м, перейдя на кабрирование, с той же вертикальной скоростью ударился о
землю. Машина ремонту не подлежала, а летчик отделался испугом. Причина аварии, по
мнению комиссии, заключалась в чрезмерно высоком выравнивании перед посадкой.
Надо сказать, что у Байкалова, имевшего общий налет на самолетах свыше 2000 часов,
первая авария на вертолете Г-3 произошла в июне 1947-го. Тогда причину так и не
установили, а геликоптер пришлось основательно ремонтировать. Спустя чуть больше
месяца снова авария. На этот раз поломка опытного Г-4 произошла по вине пилота, из-за
грубой посадки. Длинная цепочка аварий на вертолетах завершилась гибелью Байкалова
на опытном Ми-1, когда при передаче машины заказчику перед посадкой разрушился
рулевой винт.
За десять лет работы над вертолетами поперечной схемы так и не удалось достигнуть
расчетных параметров, главным образом из-за ограничений по динамической прочности.
Более 30 лет прошло после создания Ми-12 и за это время никто не осмелился повторить
опыт предшественников. Хотя к этой схеме и обращались, но на бумаге, делая расчеты
для сравнения с проектируемыми машинами. Более того, никто из специалистов не
берется предсказать появление в будущем вертолета подобной схемы. Похоже, что
время глобальных экспериментов прошло.
Из истории создания винтокрыла Ка-22:
Рис. 4
В этот день зависание длилось всего несколько секунд. Ефремов очень быстро уловил
неустойчивость и “путевое рысканье”, что было опасно. Он мягко опустил винтокрыл
на землю, подумал и через некоторое время вновь завис на метре – рысканье
повторилось. Это увидел и Камов с земли. Машину поставили в цех.
В один из дней винтокрыл возвращался с длительного перелета. При снижении на
посадку прямо над взлетно-посадочной полосой его вдруг стало резко разворачивать,
затем накренило почти на 90 градусов, и он рухнул. При ударе о землю машина
разрушилась, а весь экипаж вместе с шеф-пилотом Дмитрием Ефремовым погиб. Это
было страшным потрясением для всех. Точно установить причину катастрофы
государственной комиссии не удалось, но, было похоже, что произошел отказ
управления. Камов сделал управление жестким, заменив тросы на тяги.
Ровно через два года – 5 сентября 1964 года – снова катастрофа, очень похожая на
первую. Как рассказывали очевидцы, первый полет в этот раз прошел без замечаний. В 7
часов 30 минут винтокрыл вторично взлетел. Первым пилотом был Боровцев, вторым
Гарнаев. Винтокрыл набрал высоту 100 метров, сделал круг, и вдруг его стало
переворачивать на спину и затем затягивать в пикирование. Экипажу удалось вывести
винтокрыл в горизонтальный полет, как вдруг оторвалась гондола. Трое успели
выброситься на парашюте, в том числе и Юрий Гарнаев (он когда-то испытывал первые
катапульта), а Боровцев и инженер КБ Рогов не успели.
Из сводок новостей:
РБК. 28.04.2000, Санкт-Петербург 12:26:36. В мире за последние 2 года потерпели
аварию 5 вертолетов Robinson, а в среду в Цесисском районе Латвии разбился уже
шестой по счету. Аварии с этими вертолетами уже случались в США, Португалии и
других странах, причем во всех случаях обстоятельства авиакатастроф были сходными
– неожиданно увеличивались обороты двигателя, он терял высоту и падал.
В среду в Темрюкском районе Краснодарского края потерпел аварию вертолет Ка-26,
принадлежащий предприятию “Газпром-авиа”. Во время посадки, когда вертолет
находился в полуметре от земли, его неожиданно подбросило вверх, и он перевернулся.
Коммерсантъ-daily № 173, 18.09.98 г., с. 7
В Самарской области при взлете в воскресенье вечером потерпел аварию и упал с высоты
200 метров вертолет Ми-2. На его борту находились два члена экипажа. Один из них
получил травмы и в настоящее время госпитализирован, другой не пострадал. По
предварительным данным, авария произошла из-за отказа двигателей вертолета.
Согласно данным, полученным вчера ранним утром корреспондентами “ВБ” в МВД, МО,
МЧС и ГО, борт номер 22329 совершил взлет 15 марта в 11.01 в военном аэропорту
“Фрунзе–1”. . P.S. Согласно информации, поступившей в редакцию уже сегодня утром, у
геликоптера при посадке якобы отказал правый двигатель. Машину начало крутить. В
итоге вертолет ударился хвостом о скалу и упал.
В субботу в Песчаных Ковалях потерпел аварию вертолет Ми-2, принадлежащий
второму Казанскому авиапредприятию. В то утро ничто не предвещало беды. Командир,
летчик первого класса Е.Богаченко и член экипажа В.Герасимов, как обычно, заняли свои
места в вертолете с бортовым номером 23794. Ровно в девять МИ-2 стал медленно
подниматься, чтобы совершить плановый облет нефтепровода. И тут случилось
непредвиденное: набрав двухметровую высоту, вертолет вдруг рухнул. Все произошло
мгновенно: в результате падения машина опрокинулась на правый бок и загорелась. К
счастью, люди успели выбраться из пылающего вертолета. По информации летчика,
причиной падения явилась остановка двигателей
11 октября произошла трагедия в Ханты-Мансийском автономном округе в районе озера
Таптым. Вертолет Ми-8Т предприятия “Ханты-авиа” выполнял транспортно-связной
полет с шестью пассажирами на борту. В 14 часов 50 минут местного времени, при
посадке, в момент касания колес земной поверхности, вертолет опрокинулся на левый
борт.
Авария произошла в 24 минуты десятого на третьей минуте после взлета. Вертолет
успел подняться всего на семьдесят-восемьдесят метров, когда неожиданно раздался
хлопок. Ми-8 немедленно начал заваливаться набок, потом перевернулся хвостом вниз и
рухнул прямо на поле, где как раз планировалось приземление парашютистов. Как
известно, вертолет МИ-8 считается одним из самых надежных воздушных судов в мире.
Вероятнее всего, падение вертолета стало следствием перегрузки, разрушения
редуктора или самопроизвольной остановки двигателя. (Нина АСТАФЬЕВА, Анатолий
МАЛЬЦЕВ/Интерпресс )
Вечером 3 августа в Чунском районе Иркутской области потерпел аварию вертолет Ми8 (бортовой номер 24428), принадлежащий Нижнеудинскому авиапредприятию.
Вертолет разбился, заходя на посадку около населенного пункта Червянка, где должен
был взять на борт десятерых пожарных, чтобы доставить их к месту тушения лесного
пожара.
В августе 1987 года случилось более серьезное происшествие – авария вертолета МИ-2.
Летчики выполняли облет лесов в поисках лесных пожаров. Благополучно взлетев в
Кабанске, экипаж начал выполнять заход на площадку в верховьях реки Мишиха. На
высоте 15-20 метров при скорости 30-40 километров в час вертолет начал резко терять
высоту. Не долетев 60-ти метров до намеченного места зависания, вертолет упал в
болото и опрокинулся на левый борт.
Вертолет Ми-2 20 октября 1991 года, находясь в 52 километрах северо-восточнее
аэропорта Нижнеангарск, столкнулся с горой. Командир воздушного судна не смог
правильно оценить метеоусловия: видимость была плохая, из-за чего вертолет
отклонился от заданного маршрута и, сбившись с пути, начал снижение. Спустя
мгновение произошло столкновение с горой, воздушное судно разлетелось на кусочки.
Экипаж погиб.
Одной из крупнейших катастроф последнего времени стала гибель вертолета Ми-8,
принадлежавшего ОАО “Бурятские авиалинии”. 1 июля 1998 года вертолет выполнял
чартерный рейс по заявке заказчика “Бурятзолото”. При выполнении подлета с места
стоянки на подобранную площадку после зависания на высоте 3 метра “вертолет начал
перемещение со стояночным курсом 330 градусов”. Воздушное судно начало
самопроизвольное вращение, столкнулось с землей, опрокинулось на правый борт и
загорелось. В результате аварии от ожогового шока погибли трое иностранных
граждан. Серьезные телесные повреждения получили один член экипажа и 8 пассажиров.
…вертолет со знаменитым врачом (С. Федоровым) вылетел из Тамбова 2 июня в 17.20 по
московскому времени. Через два с половиной часа полета возле Московской кольцевой
дороги машину начало бросать из стороны в сторону, а потом вертолет стал
стремительно снижаться, срезая винтом верхушки у деревьев. “Газель” с бортовым
номером РА 00502 разбилась в 100 метрах от Тушинской детской больницы. От удара
куски кабины и хвоста разлетелись минимум на полсотни метров. Все четверо,
находившиеся в вертолете, от удара погибли…
Ряд экспертов напомнил, что в середине 70-х годов на таком же вертолете с тремя
несущими лопастями, полученном в подарок от Индии, в Крыму разбился начальник тыла
морской авиации СССР генерал А. Федотов.
НОВЫЙ ВЗГЛЯД
Вероятно, многие видели в учебниках по механике рисунки, демонстрирующие закон
сохранения вращательного импульса.
Рис. 5
На скамье Жуковского стоит человек и держит вращающееся велосипедное колесо. При
изменении положения оси вращения колеса, происходит обмен кинетическими
моментами, что приводит к изменению скорости вращения колеса и скамьи.
Заменим человека механической моделью.
На вращающейся платформе установлены две стойки с подшипниками. В подшипники
вставлена ось, на которой закреплен электродвигатель с маховиком.
Мы получили устройство, которое поможет объяснить механизм акробатических трюков
вертолетов.
Платформа, в данном случае, представляет собой корпус вертолета, а маховик – несущий
винт.
Установим маховик в вертикальное положение и соединим его двигатель с вращающейся
платформой упругими растяжками (пружинами), предотвращающими отклонение
маховика от вертикальной оси.
Рис. 6
Запустим двигатель. Маховик и платформа начнут раскручиваться в противоположных
направлениях. Скорость вращения будет пропорциональна их моментам инерции и
определятся характеристикой двигателя.
Для предотвращения обратной раскрутки корпуса, на вертолете применяется рулевой винт
или другие устройства.
В нашем эксперименте мы можем создать тормозной момент между платформой и
опорной поверхностью, равный крутящему моменту двигателя или установить что-то
подобное хвостовому винту вертолета.
Если маховик сбалансирован статически и динамически, то такая система будет
устойчивой.
Но что произойдет, если мы попытаемся нарушить “вертикальность” оси вращения
маховика?
Платформа немедленно отреагирует и начнет вращаться в таком же направлении, как и
маховик.
На рисунках, демонстрирующих аварийную посадку вертолета, отчетливо видно, что
корпус вертолета начал вращение в том же направлении, что и лопасти несущего винта.
Момент, создаваемый хвостовым винтом, направлен в противоположную сторону и
никакого отношения к акробатическим трюкам вертолета не имеет.
Акробатические трюки происходят в результате “перекрещивания” осей вращения
маховика и платформы или несущего винта вертолета и его корпуса.
Но что может вызвать подобный процесс в “идеально” сбалансированной конструкции?
Продолжим наш эксперимент.
Опустим на вращающийся диск из ферромагнитного сплава небольшой магнитик,
нарушив тем самым баланс маховика.
Платформа моментально отреагирует и начнет вращаться, а ось вращения маховика
начнет отклоняться от вертикали. Характер вертикальных отклонений зависит от
количества и свойств растяжек.
Никакое мастерство пилота не может преодолеть возникающие усилия, которые очень
часто приводят к разрушению редукторов, подшипниковых узлов и обрыве лопастей
винта.
В этом эксперименте мы установили, что причиной “акробатических трюков” вертолетов
может быть ВНЕЗАПНАЯ ПОТЕРЯ БАЛАНСИРОВКИ НЕСУЩЕГО ВИНТА.
Прежде, чем мы перейдем к рассмотрению физических процессов, вызывающих
“дисбаланс” несущего винта, необходимо отметить, что это явление носит
“непостоянный” характер и проявляется только при определенных режимах работы
вертолета.
Много лет назад автором было сделано предположение о возникновении в движущейся
системе, взаимодействующих между собой тел, неуравновешенного импульса (момента
импульса), способного изменить скорость движения центра масс такой системы.
Долгое время не удавалось разработать достаточно простую методику экспериментальной
проверки этого утверждения.
Как ни странно, найти простое решение помогла авария американского космического
аппарата MPL. Анализируя данные полета этого КЛА, автор пришел к убеждению, что
причиной аварии также послужил “неуравновешенный импульс”.
“Неуравновешенный импульс” проявился в показаниях работы акселерометров и
приборов определения орбитальной скорости другого американского КЛА - MGS.
Применительно к теме динамики вертолетов, особый интерес представляют данные об
изменении орбитальной скорости MGS, обращающегося вокруг Марса на околокруговой
орбите.
Скорость движения КЛА в нижней точке орбиты изменяется от оборота к обороту
“странным” образом, объяснить который невозможно никакими известными видами
прецессии.
Рис. 7
Рис. 8
Этот спутник движется на высоте около 400 км над поверхностью Марса и ни о каком
влиянии атмосферы не может идти речь.
Движение MGS и подсказало методику простого эксперимента, поставленного по
материалам автора в г. Красноярске специалистами ИФ СО РАН.
ЭКСПЕРИМЕНТ – ГДС-01
С.Н. Шмидт, Н.П. Шестаков, Ф.В. Марьясов, А. Иваненко
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Выявление влияния поступательной скорости системы на параметры вращения
несбалансированной турбины.
СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Устройство состоит из вентилятора, турбины с, закрепленной на ее оси, штангой с
грузиком и системы электронно-оптического измерения скорости вращения турбинного
колеса.
Рис. 9
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
При помощи электронно-оптической системы, включающей оптопару, АЦП и программы
обработки, производилось измерение скорости вращения вала воздушной турбины.
Данные представлялись в виде графика зависимости скорости вращения от угла поворота.
Измерения производились в движущемся автомобиле и на лабораторном столе.
Рис. 10
Полученные значения однозначно показывают зависимость окружной скорости турбины
от скорости поступательного движения устройства.
Измерения проводились в прямом (С-З, тонкие линии) и обратном (Ю-В, толстые линии)
направлении движения автомобиля.
Общий характер изменения скорости вращения турбины совпадает с графиком движения
американского спутника MGS, что устанавливает фундаментальность обнаруженного
явления.
Рис. 11
ВЫВОДЫ:
1. При поступательном перемещении вращающейся системы наблюдается
зависимость момента импульса (окружной скорости турбины) от линейной
скорости движения автомобиля.
2. Принцип относительности в данном эксперименте не выполняется.
ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Результаты эксперимента позволяют сделать вывод о том, что на лопасти несущих
винтов вертолета и лопатки турбин авиационных двигателей, помимо аэродинамических
сил, действуют НЕИЗВЕСТНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ.
Рассмотрим подробнее это воздействие на винт вертолета.
Рис. 12
Эксперимент показывает, что на каждую лопасть несущего винта в текущий момент
времени будут действовать разные по величине ДИНАМИЧЕСКИЕ МОМЕНТЫ. При
вращении винта, величина и направление динамического момента изменяются
нелинейным образом.
Величина динамического момента зависит от скорости вращения винта и скорости
горизонтального полета. В режиме “зависания” действует фактор скорости вращения
Земли.
Динамические моменты придают несущему винту “дисбаланс”, который влечет за собой
образование опрокидывающих моментов, разрушающих напряжений и “резонансной
вибрации”.
Рис. 13
Рис. 14
На графике (рис. 13 ) показана неравномерность вращения лопасти “сбалансированного” винта для 4-х точек
окружности в “безвоздушном” пространстве при нулевой скорости движения относительно Земли.
На диаграмме (рис. 14 ) показаны “пиковые возмущения” скорости вращения лопасти вертолета.
ВЫВОДЫ:
1. Винт вертолета всегда имеет “динамический дисбаланс”, что, при определенных
режимах движения, приводит к “акробатическим трюкам” вертолета.
2. Многие “непонятные” аварии летательных аппаратов вызваны
НЕУРАВНОВЕШЕННЫМ ИМПУЛЬСОМ.
3. Поперечная схема расположения несущих винтов в большей мере подвержена
воздействию “неуравновешенного импульса”.
Удостовериться в “аномальном” поведении несущего винта вертолета очень просто. Для
этого надо поместить модель винта в вакуумную камеру, раскрутить и освободить его от
сцепления с раскручивающим устройством, создав возможность для пространственного
перемещения.
Винт просто полетит, как и детская вертушка, но это произойдет при отсутствии
воздуха!!!
Сергей Николаевич Шмидт
E-mail: mehanik@kmtn.ru