Почему у некоторых вертолетов хвостовой винт установлен выше хвостовой балки?

Я много думал над этим вопросом, как ответить на него и, действительно, отвечать на него или не отвечать вообще, поскольку сам вопрос хороший, но граничит со «слишком широким».

Ответ от aeroalias хорош, но не предлагает никаких «почему». Конструкция хвостового винта также является чертовски сложным вопросом и, как и большинство вещей в авиации, является результатом множества компромиссов и взаимозависимостей.

В качестве примера того, насколько это сложно, есть две «библии» по динамике вертолетов, написанные Рэем Праути и Уолтером Вагтендонком. Ни один из них полностью не объясняет хвостовые винты, и действительно, Праути часто говорит «по причинам, которых я не понимаю». Если Праути чего-то не понимает, то можно с уверенностью сказать, что и большинство пилотов вертолетов этого не понимают. Вам нужна докторская степень по физике, чтобы проектировать вертолеты, вам не нужна докторская степень, чтобы управлять вертолетом.

Так это из понимания пилота без докторской степени. Я не буду упоминать, в какую сторону вращается несущий винт и с какой стороны установлен хвостовой винт, поскольку это излишне усложнит и без того сложный процесс. Я также предполагаю, что это обычный «стандартный» вертолет с одним несущим винтом и вертикальным и горизонтальным стабилизаторами. Конечно, есть проекты, которые отклоняются от этого, но для охвата всех сценариев потребуется книга, а не ответ по SE.

Я намеренно игнорирую множество других зависимостей, таких как «выдвигающаяся лопасть хвостового винта спереди или сзади?»; "это тягач или толкающий рулевой винт?"; взаимодействие между потоком воздуха от несущего винта, вихрями и ветром, а также то, что происходит в ситуациях с высокой скоростью рыскания (быстрые повороты педалей) и боковым полетом. Да, конструкция рулевого винта, наверное, самая сложная тема в вертолетной динамике.

Как известно, хвостовой винт противодействует крутящему моменту, приложенному к фюзеляжу, за счет вращения несущего винта. Поскольку хвостовой винт создает подъемную силу по горизонтальной оси, он также создает силу, которая будет перемещать вертолет по земле (дрейф хвостового винта).

Чтобы компенсировать это, диск несущего винта настроен таким образом, что он наклоняется в направлении этого движения, чтобы создать горизонтальную составляющую подъемной силы, которая противодействует сносу хвостового винта и удерживает вертолет в устойчивом состоянии в режиме зависания. Если не сделать это с циклической нейтралью, то пилот будет подсознательно удерживать немного боковую циклическую ориентацию, чтобы удерживать устойчивое зависание. Это подсознательно, потому что вы не удерживаете отношение и позицию, позиционируя циклично. Вы позиционируете цикл, чтобы удерживать отношение и положение.

Итак, теперь у нас есть два компонента горизонтальной тяги, один от несущего винта, а другой от хвостового винта. Теперь все силы действуют вокруг центра тяжести, и именно оттуда отсчитываются все ускорения самолета для его перемещения. Следовательно, если центры этих двух сил не совпадают по отношению к ЦТ, т.е. на одном и том же вертикальном расстоянии от ЦТ, то между ними создается «пара» качения, и фюзеляж будет катиться до тех пор, пока противодействующие силы не станут равными и противоположными. . Вот почему многие вертолеты зависают с одной низкой полозьями.

По мере того, как самолет переходит в крейсерский полет, вертикальный стабилизатор все больше компенсирует крутящий момент несущего винта, поэтому мощность, необходимая для хвостового винта, и угол атаки, необходимый для компенсации крутящего момента, уменьшаются, поэтому сила пары крена уменьшается, и палуба фюзеляжа будет катиться. вернуться к уровню. Горизонтальный стабилизатор также создает подъемную силу, которая дополнительно противодействует крену, так что в крейсерском режиме вы практически не используете педаль.

Это наш главный компромисс. Если горизонтальные составляющие векторов подъемной силы не выровнены друг с другом, то вы принимаете неровную палубу в зависании. Если конструкция требует длительных периодов зависания (полицейские, поисково-спасательные работы и т. д.), то в вашей конструкции, скорее всего, оба центра выровнены и находятся выше ЦТ (вектор тяги несущего винта всегда должен быть выше ЦТ из-за двигатель и редуктор несущего винта). Я предполагаю , что у Apache хвостовой винт установлен высоко, чтобы выровнять центры, чтобы обеспечить ровную и устойчивую палубу, что имеет смысл на орудийной платформе, предназначенной для длительного зависания.

Если вы посмотрите на модель, в которой векторы хвостового и несущего винтов не центрированы, например, R22, то они действительно зависают, причем одна полозья значительно ниже другой. Это также увеличивает безопасную высоту зависания на пару футов, так как захват салазок о землю во время вращения или бокового движения почти наверняка является генератором Плохих Дней ^(ТМ) .

Компромисс заключается в том, что для размещения этого ротора в верхней части ребра требуется дополнительная коробка передач и приводной вал в основании ребра, что увеличивает вес, сложность и требования к техническому обслуживанию. Не беспокойтесь об Apache; конечно для R22.

Почему у Comanche хвостовой винт установлен так низко, на конце стрелы? Что ж, я не знаком с дизайнерскими решениями и не могу найти никаких авторитетных ссылок на них, поэтому я использую догадки, которые, я надеюсь, являются обоснованными догадками.

Одна из целей конструкции Comanche, которой нет почти ни в одном другом вертолете, - это малозаметность.

Лопасти винта являются отличными целями для радаров, особенно хвостовой винт. Относительно короткие лопасти, вращающиеся с высокой скоростью и застрявшие далеко на открытом воздухе, обеспечивают много сильных сигналов RADAR. Вы мало что можете сделать с несущим винтом, за исключением профилей лопастей и материалов (детали которых, как я полагаю, засекречены), но, установив хвостовой винт ближе к основному корпусу на конце стрелы и в фенестроне , эти Отдача РАДАРа будет значительно уменьшена.

Воздушные потоки хвостового винта также будут способствовать охлаждению выхлопных газов двигателей, раздувая их в стороны и быстрее смешивая с более прохладной окружающей атмосферой. Если вы присмотритесь, то увидите, что хвостовой винт установлен прямо за выхлопными трубами. Я также предполагаю, что редукторы хвостового винта являются хорошими источниками тепла, поэтому удаление одного из них (путем установки хвостового винта низко) также способствует скрытности. Дополнительным преимуществом установки в фенестроне является защита хвостового винта от ударов о деревья и т. д., что всегда вызывает беспокойство во время полета над Землей.

Поскольку хвостовой винт установлен так низко, возникает сильная пара качения, и действительно, Comanche летел очень низко.

^{( Источник )}

Чтобы уменьшить эту тенденцию, хвостовой винт наклонен (все это по памяти) примерно на 20 градусов, что уменьшает горизонтальную составляющую вектора тяги и создает около 1000 фунтов подъемной силы за счет вертикальной составляющей, что компенсирует тенденцию к низкому хвосту, вызванную наличием TR ниже ЦГ. Этот высокий двойной горизонтальный стабилизатор также будет создавать подъемную силу, чтобы удерживать хвост в крейсерском режиме, когда мощность TR снижается.

От Питера Кемпфа:

Наклон всей вертикали на 20° также убирает мощный отражатель RADAR. При низком полете идеально вертикальный хвост будет отражать горизонтально ориентированное излучение, а угол в 20° позволяет одной стороне отражать энергию радара в землю, а другой — в космос.

Во всем этом есть намного больше, но, как я уже сказал, действительно нужна книга, чтобы начать полностью учитывать все факторы, но, надеюсь, этот ответ проходит через основные направления мысли.

При определении положения втулки рулевого винта относительно плоскости несущего винта необходимо учитывать множество соображений. Одним из важных соображений является то, как это влияет на тягу хвостового винта: чем меньше требуемая тяга (в более высоком или более низком положении), тем меньше потери веса, поскольку требования к прочности и размеру снижаются.

Если исходить из этого соображения, то в общем случае втулка рулевого винта должна располагаться в плоскости вращения несущего винта. из Руководства по проектированию хвостового винта :

Чтобы свести к минимуму общий шаг и жесткость, необходимые для данного маневра рыскания, свести к минимуму отклонения педали руля направления во время разворота на зависании и свести к минимуму требования к мощности, втулка хвостового винта должна быть расположена в плоскости вращения несущего винта и расположена в кормовой части и как можно ближе к несущему винту, насколько позволяют практические ограничения.

Но это только часть истории — здесь есть и другие соображения:

• Необходимо учитывать взаимодействие между хвостовым винтом и несущим винтом, что может изменить положение хвостового винта.

• Если вы собираетесь использовать нетрадиционные рулевые винты, такие как фенестрон, хвостовой винт обычно должен располагаться на хвостовой балке, а не на киле.

• Размещение их на одной плоскости обычно означает установку хвостового винта высоко на вертикальном киле, что увеличивает потерю веса - вам нужно иметь усиленное вертикальное оперение вместе с дополнительной коробкой передач и приводным механизмом; это становится компромиссом - в какой момент дополнительный вес стоит иметь хвостовой винт на вертикальном киле. В случае с небольшими вертолетами это будет означать, что лучше иметь хвостовой винт в хвостовой балке, чем в вертикальном киле, хотя жесткого правила нет.

• Расположение рулевого винта может повлиять на положение в полете - если втулка хвостового винта не по центру, есть небольшая тенденция к крену, которую необходимо исправить, применяя боковую цикличность, что означает, что вертолет летит немного под наклоном. .

• Есть и другие соображения: низкое расположение хвостового винта может увеличить вероятность повреждения из-за обломков, а его удерживание в киле повлечет за собой штраф за техническое обслуживание.

Итак, в конце концов, это компромисс.

Рэймонд Праути был дизайнером хвостового винта Apache AH-64 (ваше первое фото). На предпроектной стадии у АН-64 было как Т-образное хвостовое оперение как на вашем фото Команча, так и в последствии окончательная конфигурация на вашем фото. В этом документе (за платной стеной, извините) он упоминает, что полет влево был более плавным, а голландский крен стал более стабильным, когда хвостовой винт был поднят на этапе разработки летных испытаний - чисто аэродинамические соображения.

На втором снимке Comanche показывает Т-образное хвостовое оперение и рулевой винт в фенестроне: рулевой винт и горизонтальный стабилизатор поменялись местами. Расположение рулевого винта в фенестроне имеет несколько преимуществ: вертикальное оперение не блокирует тягу и защищено от внешнего потока и следа винта при прямом полете. Вентилятор в киле возможен только на высоте хвостовой балки, поэтому, если выбрана эта конструкция, высота будет автоматически изменяться.

Поднятие хвостового винта усложняет механическую связь и, следовательно, связано с более высокими потерями мощности, но это не указано в качестве доминирующей предпроектной особенности в двух имеющихся у меня справочниках. Аэродинамические соображения, кажется, имеют здесь большее значение: взаимодействие с несущим винтом при зависании, полете вбок и вперед. Для военных вертолетов эксплуатационные требования к хвостовому удару также влияют на размещение хвостового винта.

Расположение хвостового винта также влияет на боковую дифферентовку при зависании, в зависимости от того, какой тип несущего винта применяется. Из «Характеристики, стабильность и управляемость вертолета» Рэймонда Праути:

Как видите, горизонтально зависает только качающийся винт с хвостовым винтом на высоте основного. А вот зависание с одним заносом вроде бы не большая проблема.