Часто ли законцовки винтов вертолетов становятся сверхзвуковыми?

«Wop Wop», обычно известный как шлепок лезвием, слышен, когда кончик лезвия проходит через вихрь, созданный предыдущим.

Этого можно избежать. Наиболее распространенным режимом полета, когда это происходит, является пологий спуск, но с достаточно большой мощностью, например, быстрый и пологий. Вихрь начинает двигаться вниз, как только покидает кончик лопасти, поэтому в горизонтальном полете над ним проходит следующая лопасть. При пологом спуске с большим углом наклона следующая лопасть может буквально «врезаться» в предыдущий вихрь. Вихри двух лопастей теперь взаимодействуют и могут вызывать локальный переходный сверхзвуковой поток. Чтобы избежать этого, просто уменьшите шаг, чтобы установить более позитивный спуск, или оттяните циклический привод, чтобы увеличить нагрузку на диск и выровнять положение.

Кончики лопастей не достигают сверхзвука. Фактически почти во всех конструкциях вертолетов несущий винт вращается в очень узком диапазоне скоростей, обычно от 90% до 110% от нормальной скорости. В большинстве режимов полета ротор вращается на 100%, +/- несколько процентов, независимо от того, идете ли вы на набор высоты, спускаетесь или летите. Только при авторотации и агрессивном маневрировании дальность меняется на 10% и более. Это зависит от типа вертолета, но абсолютные пределы составляют примерно 85% (время паники, риск полного сваливания) и 115% (небольшая паника, риск повреждения машины, особенно приводного вала хвостового винта).

При нормальной работе, и конструкция направлена ​​на достижение этого, законцовки несущего винта не достигают сверхзвука , поскольку, когда они это делают, происходит внезапное и значительное снижение производительности с требуемой большей мощностью, более высокими нагрузками на лопасти, вибрацией и шумом.

Представьте себе вертолет, летящий вперед. Продвигающаяся лопасть в своем наиболее перпендикулярном положении подвергается относительному воздушному потоку, который равен (без учета всех видов незначительных побочных эффектов) скорости движения вперед плюс скорость лопасти. Отступающая лопасть испытывает относительный воздушный поток, равный скорости лопасти минус скорость вертолета.

Если лопасти вращаются так быстро, что законцовки достигают сверхзвуковой скорости, то основная подъемная сила, создающая часть отступающей лопасти, внешние две трети размаха, будет испытывать такую ​​малую скорость полета, а для части размаха она будет даже отрицательной, что лезвия остановятся, вызывая катастрофический крен в эту сторону. Именно это явление в конечном итоге ограничивает скорость вращения лопастей и максимальную скорость вертолета.

Давайте посмотрим на R22 в качестве примера. Следующие цифры являются приблизительными.

Скорость кончика ротора составляет около 670 футов в секунду (футов в секунду). Скорость звука на уровне земли в обычный день составляет около 1100 кадров в секунду. R22 летит на скорости, близкой к VNE, скажем, на скорости 100 узлов, что составляет около 170 кадров в секунду.

Таким образом, наконечник на наступающей стороне в самом быстром режиме летит относительно воздушного потока со скоростью 840 кадров в секунду, а на отступающей стороне — в самом медленном — на скорости 500 кадров в секунду.

Длина лопасти составляет около 11 футов, поэтому средняя часть лопасти на отступающей стороне летит только со скоростью 190 футов в секунду (половина от 670 минус скорость полета). Когда вы доберетесь примерно до 4 футов от корня лезвия, это будет всего 50 кадров в секунду и не намного дальше от этого, оно станет равным нулю, а затем станет отрицательным.

Помните, что подъемная сила пропорциональна квадрату скорости. Теперь вы можете видеть огромное несоответствие между подъемной силой с обеих сторон по мере увеличения воздушной скорости.

Чтобы ответить на ваш вопрос напрямую, R22 должен будет лететь со скоростью 530 кадров в секунду, чтобы приблизиться к сверхзвуковой скорости наконечника, что соответствует примерно 330 узлам, чего он не может достичь.

PS. R22 POH говорит имперскими мерами. Когда у меня будет время, я переделаю цифры в метрической системе, которую предпочитаю я и большая часть мира.

Характерное биение несущего винта вертолета обусловлено взаимодействием вихрей лопастей несущего винта, в частности вихрей несущего и хвостового винтов. Поскольку ударные волны этих импульсов совпадают, они создают мощные (громкие) гармоники. Этот эффект может возникать при скоростях несущего винта значительно ниже сверхзвуковой.

Взаимодействие вихрей можно уменьшить, окружив (меньший, многолопастный) хвостовой винт кожухом, больше похожим на вентилятор. Такая установка называется фенестроном («оконным», а на самом деле торговой маркой, принадлежащей Eurocopter), канальным вентилятором или вентилятором в плавнике. Эта разработка изначально была разработана для повышения безопасности и производительности.

Модификации несущего винта для уменьшения импульса от вихря обычно жертвуют мощностью или экономичностью.

Что касается сверхзвуковой скорости, вертолеты имеют теоретическую максимальную скорость 417 км/ч в обычном режиме полета из-за проблемы, связанной с тем, что наступающая лопасть достигает сверхзвуковой скорости на слишком большой площади, а отступающая лопасть резко теряет подъемную силу.

Кто-то спросил, как только часть лопасти может быть сверхзвуковой, а большая часть ее длины — дозвуковой. Это потому, что движение угловое. Точка во внешней части движется по воздуху намного быстрее, чем точка во внутренней области, чтобы покрыть тот же угол за то же время. Это сверхзвуковое состояние достигается в полете быстрее, чем в режиме зависания. Когда лопасть движется «вперед», воздушная скорость добавляется к скорости вращения лопасти, движущейся вперед, и вычитается из скорости вращения лопасти, движущейся назад. Распространенным решением для компенсации разницы в подъемной силе противостоящих лопастей является шарнирное соединение их в основании, чтобы позволить лопасти с более высокой воздушной скоростью подниматься вверх в ограниченной степени. В некоторых «жестких» конструкциях шарнир заменен гибкой секцией.