Как обеспечивается момент тангажа при прямом движении вертолета?

Это сложный ответ со многими факторами в многомерной матрице. В вертолете, летящем с поступательной скоростью, имеется несколько стабилизирующих факторов устойчивости и несколько дестабилизирующих.

1. Прежде чем вертолет сможет летать на скорости, ему нужно взлететь в режиме висения.

   • Ротор обеспечивает подъемную силу для набора высоты.
   • Гравитация прикладывает прижимную силу в центре тяжести.
   • Втулка несущего винта шарнирная - можно представить, что фюзеляж свисает со втулки несущего винта, как маятник.

   Из этого ответа собственная работа

   В этой ситуации, свободно вращаясь, ЦТ будет перемещаться прямо под втулкой несущего винта без повторного выравнивания несущего винта - вертолет останется на месте, и только фюзеляж будет наклоняться до тех пор, пока ЦТ не окажется под вектором подъемной силы. Существует диапазон допустимых горизонтальных положений ЦТ, которые приводят к различным углам наклона фюзеляжа при наборе высоты при прямолинейном зависании. Конечно, если ЦТ выбран чрезмерно вперед или назад, этот сценарий приведет к невозможному углу фюзеляжа.

2. Но шарнир втулки несущего винта передает крутящий момент от несущего винта к мачте и наоборот. Фюзеляж не может свободно болтаться под ступицей. Из Prouty, Helicopter Performance, Stability and Control:, описывающего поведение в вакууме :

   

   Качающийся ротор в вакууме не имеет тенденции выравнивать ротор и мачту перпендикулярно друг другу, в отличие от очень распространенного ротора со смещением шарнира. А в атмосфере качающийся ротор также хочет выровнять мачту перпендикулярно самой себе за счет крутящего момента эффекта взмаха, описанного здесь .

   Таким образом, вертолет, взлетающий в режиме зависания с горизонтальным ротором, выравнивает фюзеляж и ротор до тех пор, пока ЦТ не окажется под вектором подъемной силы. Если ЦТ находился не точно под центром ступицы, вращение фюзеляжа наклоняет вектор подъемной силы, и вертолет начинает дрейфовать, что необходимо компенсировать циклическим движением джойстика от пилота. Из Справочника FAA по полетам на вертолетах, глава 7 Вес и балансировка:

   CG FORWARD OF FORWARD LIMIT. Вы можете распознать это состояние, когда переходите в режим висения после вертикального взлета. Вертолет будет иметь низкое положение носа, и вам потребуется чрезмерное смещение ручки управления назад, чтобы поддерживать зависание в безветренных условиях.

   Обратите внимание, что вышеизложенное означает, что ротор хочет выровняться с наклоном вперед фюзеляжа, и эта тенденция должна компенсироваться циклическим движением назад.

3. Чтобы лететь вперед, пилот совершает циклическое продольное движение вперед, эффективно наклоняя диск ротора вперед. Как видно выше, это также наклоняет фюзеляж вперед, перемещая ЦТ в новое положение дальше к корме - это создает момент поднятия носа, компенсирующий момент опускания носа тяги/сопротивления.

   Когда вертолет набирает скорость, воздух давит на фюзеляж: возникает паразитное сопротивление. Это требует наклона фюзеляжа и несущего винта вперед.

4. При увеличении воздушной скорости взмахи несущего винта обеспечивают повышенный крутящий момент при подъеме носа: движущаяся вперед лопасть испытывает большую подъемную силу на более высокой скорости и достигает более высокого положения кончика, когда направлена ​​вперед. Как объяснялось в пункте 2 выше, это также приводит к возникновению момента подъема носа фюзеляжа из-за шарнирного соединения между диском несущего винта и фюзеляжем.

5. На угол дифферента вертолета на скорости можно дополнительно повлиять за счет включения горизонтального хвостового оперения, которое прикладывает крутящий момент к носу на скорости. Угол наклона горизонтального хвостового оперения часто является переменным, чтобы обеспечить широкий диапазон стабилизирующих моментов на крейсерской скорости, при снижении под большим углом и т. д.

   Горизонтальное оперение в крейсерском режиме обычно имеет отрицательный угол атаки и спроектировано так, чтобы оптимально использовать поток несущего винта вниз. Горизонтальные хвосты не требуются, но очень желательны для положительной циклической стабильности скорости.

6. Но горизонтальное оперение неэффективно при висении, а ротор наверху имеет отрицательную стабильность скорости, как объясняется в этом ответе - основная причина нестабильности при зависании обычных вертолетов, требующая постоянных движений ручкой для сохранения положения.

Таким образом, момент тангажа при опускании носа на скорости вперед компенсируется:

• Угол взмаха диска ротора.
• Муфта шарнирного момента либо от смещения шарнира, либо от аэродинамической муфты в случае качающегося ротора. Этот эффект хочет, чтобы мачта ротора была выровнена перпендикулярно ротору.
• Горизонтальный хвост.
• Используемый горизонтальный диапазон местоположения ЦТ.
• И не упомянутое выше: в некоторых случаях перекос рулевого винта.

Предположим, что когда фюзеляж вертолета находится в горизонтальном положении (на уровне полозьев), ЦТ находится непосредственно под мачтой несущего винта.

Для задачи о крутящем моменте мы можем выбрать любую произвольную точку поворота, по крайней мере, когда ускорение вращения равно нулю, а перегрузка равна единице, поэтому никакая дополнительная кажущаяся сила инерции из-за ускорения вращения или перегрузки не действует на центр тяжести.

Если мы хотим выяснить, как все уравновешивается в стационарном режиме зависания или в установившемся крейсерском полете, можно упростить задачу, взяв вершину мачты винта, а не центр тяжести вертолета, в качестве точки поворота для точки поворота. расчет крутящего момента.

Обратите внимание, что в этом случае наклон диска несущего винта и возникающая в результате смещенная линия тяги не создают крутящего момента вокруг выбранной нами точки поворота, но вектор сопротивления фюзеляжа, предположительно действующий вблизи центра тяжести фюзеляжа, создает крутящий момент относительно нашей точки поворота. выбранная точка опоры. Эти два эффекта взаимосвязаны: в стационарном крейсерском режиме смещение вектора сопротивления является единственной причиной, по которой диск винта должен быть наклонен.

Предположим на данный момент, что существует абсолютно жесткое соединение между фюзеляжем, мачтой несущего винта и диском несущего винта. В том случае, если диск несущего винта опрокидывается, фюзеляж опрокидывается. Диск несущего винта не может наклоняться относительно фюзеляжа.

Предположим, что сам ротор не имеет массы. Нарисуйте векторный треугольник R (сила ротора), L (подъемная или направленная вверх составляющая силы ротора) и T (тяговая или направленная вперед составляющая силы ротора) с прямыми углами между T и L и R как векторную сумму T и L. Предположим, что результирующая результирующая сила R действует на вершину мачты двигателя и направлена ​​точно в том же направлении, что и вершина мачты ротора.

Предположим, что вся масса и все сопротивление вертолета сосредоточены в центре центра тяжести фюзеляжа. Нарисуйте векторный треугольник, представляющий W (вес), D (сопротивление) и F (чистая сила, создаваемая фюзеляжем), с прямыми углами между W и D и с F в виде векторной суммы W и D. Этот треугольник должен быть геометрически треугольник, аналогичный предыдущему — тот, что связан с ротором.

Это означает, что при всех этих предположениях результирующая сила F, создаваемая комбинацией веса и сопротивления, всегда находится точно на одной линии с мачтой ротора. Таким образом, крутящий момент вокруг верхней части мачты ротора не создается комбинированным действием веса и сопротивления.

Или, другими словами, результирующая сила R, создаваемая роторной системой, в конце концов, находится прямо на одной линии с центром тяжести фюзеляжа.

Это также означает, что с учетом всех этих предположений, хотя в действительности дисковая система вертолета может в некоторой степени свободно поворачиваться относительно фюзеляжа вертолета или наоборот (см. Почему нос вертолета опускается при нажатии циклического переключателя вперед (на висении)? для большего), в установившемся крейсерском полете нет присущей фюзеляжу тенденции свешиваться под другим углом от диска несущего винта, чем если бы не было гибкости в соединении между фюзеляжем, мачта ротора и дисковая система ротора.

Обратите внимание, что если бы фюзеляж имел некоторую тенденцию висеть под некоторым углом, отличным от «прямоугольного», по отношению к системе дисков несущего винта в крейсерском полете, это повлияло бы на положение циклического рычага, необходимое для получения любого заданного чистого момента тангажа (или его отсутствия). ) от диска несущего винта, точно так же, как наклон системы лопастей несущего винта вперед или назад, когда вертолет находится в состоянии покоя на земле, изменяет циклический угол одной лопасти относительно другой. Например, если бы фюзеляж по какой-то причине свешивался прямо к земле с вершины мачты несущего винта даже в крейсерском режиме на высокой скорости, система (наклоненных) лопастей несущего винта создавала бы крутящий момент при подъеме носа даже при центрированном циклическом стержне.

Один эффект, который может привести к тому, что фюзеляж будет висеть не «под прямым углом» к диску несущего винта, а, скорее, несколько ближе к прямолинейному «внизу» к земле, будет, если вектор сопротивления будет действовать выше ЦТ фюзеляжа . Вероятно, это часто имеет место в реальности.

Весь этот вопрос на самом деле заключается в том, должна ли система лопастей несущего винта создавать крутящий момент при подъеме носа в крейсерском полете, чтобы предотвратить опускание носа вертолета. Ответ, как правило, "нет". Конечно, если бы такой крутящий момент был необходим, было бы достаточно просто расположить циклический двигатель так, как это необходимо для создания такого крутящего момента.

Теперь, если бы вы спросили, что происходит в первый момент после того, как мы используем циклический наклон диска несущего винта вперед в режиме висения, когда вектор воздушной скорости вперед и, следовательно, вектор сопротивления назад, действующий на фюзеляж, еще не установлены, как верхний рисунок с наклонным диском ротора, кажется, иллюстрирует - это был бы совершенно другой вопрос.

Обратите внимание, что ничто из этого на самом деле не касается того, стабильна система или нет.

Здесь было сделано много предположений, но, возможно, этот ответ даст вам отправную точку для рассмотрения вашей проблемы.

Несущий винт часто создает момент повышения тангажа вокруг ЦТ, противоположный диаграмме в ОП. Это связано с тем, что он расположен на меньшей линии станций, впереди центра тяжести (даже с учетом наклона).

Несущий винт движется вперед на скорости, а его тяга наклонена вперед. Тем не менее, вектор по-прежнему часто позиционируется и ориентируется так, чтобы обеспечить момент поднятия носа по тангажу относительно центра тяжести.

«Момент ступицы» несущего винта действительно обеспечивает момент опускания носа по тангажу.

Горизонтальный стабилизатор на хвосте обычно обеспечивает большой момент поднятия носа по тангажу на скорости.

См. эту ссылку для получения такой информации.

Во многих отношениях вертолеты — это замаскированные воздушные самолеты.

Во-первых, вы рисуете ротор с небольшим двугранным углом. Теперь нарисуйте вектор подъемной силы для каждого ротора, и вы обнаружите: он действительно попытается вернуть самолет в вертикальное положение (после того, как ускорение дойдет до 0 (постоянная скорость))! Даже если бы несущий винт был совершенно прямым, его подъемная сила не создавала бы крутящего момента, если только центр тяжести не был смещен. (нарисуйте пунктирными линиями остальную часть вертолета).

Центр лобового сопротивления (если смотреть спереди) также будет иметь значение при движении вертолета. Также играет роль смыв несущего винта на хвосте.

Однако наклон вперед без увеличения мощности приведет к тому, что вертолет утонет, потому что вертикальная подъемная сила меньше . Восходящее сопротивление позади центра тяжести заставит его наклониться вниз, как самолет.

Если вы наклонитесь вперед и добавите достаточно мощности для подъема, вы можете обнаружить, что нос задирается вверх! Таким образом, вы добавляете ровно столько, сколько нужно для горизонтального полета.

Концепция «качки вперед» и добавления «мощности» от зависания идентична V min скорости снижения по сравнению с V «наилучшего планирования» в самолетах.

Возможно, примерно так: