Почему трехлопастные вертолеты относительно редки?

Допускаю, что это наблюдение совершенно субъективно, но мне кажется, что там трехлопастные винты пользуются значительно меньшей популярностью, чем двух- или четырехлопастные.

Факторы, которые, как я предполагаю, способствуют...

  • Хранение - двухлопастные вертолеты занимают гораздо меньше места. Так что вы, вероятно, будете придерживаться двух лезвий, пока не будете вынуждены перейти на четыре.
  • Простота - хотя нечетное количество лопастей может быть идеально сбалансировано, может быть проще производить системы, в которых силы уравновешивают противодействующие силы, чем балансировать всю систему.
  • Стоимость - два более длинных лезвия, по-видимому, намного дешевле в обслуживании / покупке, чем три более коротких.

Хотя это догадки. У меня вопрос - правильно ли мое восприятие, и если да, то почему?

Ответы (4)

Трехлопастные вертолеты не редкость. Многие европейские малые вертолеты трехлопастные:

Вертолеты Eurocopter показывают образец. Они разработаны друг из друга и ведут свое происхождение от Aérospatiale Alouette II , III и Aérospatiale Gazelle — все с тремя лопастями.

Большинство американских небольших вертолетов имеют качающиеся несущие винты, которые по умолчанию состоят из двух лопастей. Так было с Bell 47 до Bell UH-1 Iroquois . Здесь снова система трансмиссии UH-1 была развитием Bell 47. Опять же, если вы находитесь в США (или вообще на тренировках), вы увидите Робинзонов , поэтому похоже, что трехлопастных вертолетов почти нет. ( за исключением Schweizer 300 ).

У разного количества лопастей есть свои преимущества и недостатки. В общем, чем меньше, тем лучше . Вы платите за большую подъемную силу, производительность и (обычно) меньший шум механической сложностью и меньшей эффективностью. Это компромисс.

Три лезвия против четырех демонстрируют явную географическую разницу из-за наличия инженеров и их разного опыта.

В США Enstrom Helicopters (из моего родного города) имеют трехлопастную конструкцию.
Интересно, это больше для резервирования, по крайней мере, в военных самолетах. Впрочем, не уверен, что это применимо даже к вертолетам.
@WayneWerner Почти наверняка нет. Потеря лезвия является катастрофическим событием, независимо от того, есть ли у вас 2 лезвия или 6 лезвий.
Это может стать интересной инженерной задачей: как сконструировать 4-лопастной ротор так, чтобы потеря одной лопасти вызывала безопасное отсоединение противоположной лопасти? Я подозреваю, что это возможно, если иметь одно крепление для пары противоположных лезвий и иметь этот щелчок, когда сила сдвига слишком велика.
@MSalters Безопасно - ключевое слово здесь, как вы предотвращаете приближение других лезвий и удары по выбрасывающему лезвию? Как сделать так, чтобы выбрасывающее лезвие не летело на мили, как большая ракета? Как вы справляетесь с внезапной (и резкой) потерей подъемной силы? Что происходит с частичной потерей лезвия (чаще)?
@Ron: В основном, не занимаясь этими проблемами. Одно лезвие, упавшее на землю, опережает весь падающий вертолет; внезапная потеря 50% подъемной силы превосходит внезапную потерю 100% подъемной силы. (Не говоря уже о том, что чистый убыток составит 50%). Основной риск заключается в том, лучше ли частичная потеря лезвия, чем потеря двух лезвий, и это, вероятно, зависит от того, теряете ли вы обычно 10% или 90% лезвия.
Даже Boeing CH-47 Chinook трехлопастной, так сказать.
@zelanix Вы правы - я был слишком сосредоточен на вертолетах меньшего размера и пропустил это.
@MSalters: потеря любой значительной части лезвия будет катастрофической, если только не удастся быстро выбросить вышедшее из строя лезвие и его аналог, не повредив другие лезвия. С другой стороны, не так уж много ситуаций, когда вертолет потеряет одну лопасть, которая вряд ли уничтожит их все в короткие сроки, даже если пара лопастей может быть сброшена. Единственная ситуация, которую я могу придумать, когда способность сбрасывать лопасти может быть полезной, это если небесный кран, который должен быть в состоянии поднять гораздо больше, чем его собственный вес, должен сделать...
... аварийная посадка без большого зазора, но ему будет позволено сбросить лезвия на все, что окажется внизу. Если бы у такого корабля было две длинные лопасти, подходящие для подъема груза, и две короткие, подходящие для удержания самого корабля в воздухе, сбрасывание длинных лопастей могло бы уменьшить расстояние, необходимое для посадки. Хотя, казалось бы, это очень редкая ситуация.
@supercat: «С другой стороны, не так уж много ситуаций, когда вертолет потеряет одну лопасть, которая вряд ли уничтожит их все в короткие сроки, даже если пара лопастей может быть сброшена» - Одной из таких ситуаций может быть усталостное разрушение лопасти, на которое (IIRC) приходится большинство отказов лопастей вертолетов (и отказов невертолетных лопастей, если уж на то пошло), не являющихся результатом прямого повреждения посторонними предметами.
@Sean: Если лезвие выйдет из строя из-за усталости металла, сколько времени потребуется, чтобы образовавшийся дисбаланс разрушил подшипники? Может ли существовать какой-нибудь правдоподобный сценарий, при котором неисправное лезвие и его аналог можно было бы безопасно выбросить за борт, не повредив другие лезвия?

Как и в случае с пропеллерами , количество лопастей на несущем винте вертолета зависит от нагрузки на диск . Легкие вертолеты обходятся меньшим количеством лопастей. Сложность и потери увеличиваются с увеличением количества лопастей, поэтому конструкторы вертолетов стараются установить как можно меньше лопастей. Однако это привело бы к огромному диаметру несущего винта для тяжелых вертолетов. Есть причины, по которым диаметр должен быть маленьким:

  • Нагрузки на корень лопасти из-за центробежных сил
  • Скорость кончика: движущаяся лопасть испытает трансзвуковые эффекты раньше, если вертолет летит в крейсерском режиме, чем больше несущий винт. Это ограничит максимальную скорость полета.
  • Лезвие сгибается на земле. Лопасть должна быть достаточно жесткой, чтобы не касаться хвоста при вращении ротора.

Теперь давайте сравним несколько вертолетов. Я использовал технические данные на связанной странице Википедии и разделил максимальную взлетную массу на площадь диска несущего винта:

  1. Sud Aviation Aloutette II : 2-лопастной несущий винт. Нагрузка на диск 19,6 кг/м². Нагрузка на диск на лезвие: 9,8 кг/м².
  2. Белл 205/UH-1D . 2-лопастной ротор. Нагрузка на диск 25,6 кг/м². Нагрузка на диск на лезвие: 12,8 кг/м².
  3. Aérospatiale AS-350 Écureuil : 3-лопастной несущий винт. Нагрузка на диск 25,07 кг/м². Нагрузка на диск на лезвие: 8,36 кг/м².
  4. Bell 412 : 4-лопастной ротор. Нагрузка на диск 34,6 кг/м². Нагрузка на диск на лезвие: 8,65 кг/м².
  5. Sikorsky S-65 / CH-53 : 6-лопастной несущий винт. Нагрузка на диск 50,2 кг/м². Нагрузка на диск на лезвие: 8,37 кг/м².
  6. Ми-26 : 8-лопастной несущий винт. Нагрузка на диск 69,6 кг/м². Нагрузка на диск на лезвие: 8,7 кг/м².

Думаю, вы уже видите тенденцию. UH-1D не похож на других, но он также стоит особняком из-за необычно высокой хорды лопастей. Обычно идеальная нагрузка на лезвие составляет от 8 до 9 кг/м², и немного больше считается приемлемым, если это позволяет конструктору обойтись только двумя лезвиями.

Никакого заговора на подавление трехлопастных несущих винтов нет. Это общий компромисс между производительностью и эффективностью, который определяет количество лопастей на винте вертолета, а основной движущей силой является масса.

Винты вертолетов имеют шарниры лопастей, а винты - нет. Изгибающий момент корня лопасти гребного винта является конструктивным ограничением, которого нет у лопасти несущего винта. Нагрузка на лопасти не является основным конструктивным параметром вертолетных винтов.
@Koyovis Тогда, пожалуйста, объясните, почему Мил-26 не может просто использовать двухлопастной несущий винт.
Потому что крик от лопасти колокола 212 достаточно плох.
@Koyovis: Другими словами, загрузка лезвия. Согласованный.
Интересная статистическая тенденция, безусловно. +1.

Хотя в приведенных выше ответах есть некоторые правильные моменты, они упускают из виду основные моменты структуры и функции различий ступицы несущего винта в роторах с двумя и четырьмя лопастями по сравнению с роторами с тремя лопастями. У обоих есть проблемы с безопасностью, которые имеют нюансы, и разница может изменить миссию для данного вертолета.

Двух- и четырехлопастные роторы, скорее всего, представляют собой полужесткие втулки ротора, консольно закрепленные на неподвижном штифте. Это позволяет им свободно двигаться вверх и вниз благодаря вращению, возникающему под действием сил опережения и отставания. Ограничением для этих втулок винтов является то, что они почти не выдерживают отрицательных перегрузок, потому что отрицательные перегрузки приводят к ударам мачты и повреждению планера в воздухе. Пушоверы должны быть очень тонкими. Это требует специальной подготовки по SFAR 73 .

Несущие винты с тремя лопастями имеют полностью шарнирную головку несущего винта, которая предотвращает удары мачты, поэтому он обладает большей маневренностью и может обрабатывать внешние грузы. Эти роторы воспринимают силы опережения-запаздывания через шарниры в основании лопасти ротора, позволяя лопасти двигаться вперед и назад относительно направления вращения на протяжении всего оборота. Основная проблема безопасности в этих вертолетах - касание слишком жесткого или неуравновешенного лопасти, выведенного из равновесия. Если это так, гироскопические силы реагируют через планер, и если вертолет все еще касается земли, та часть, которая касается земли, становится точкой поворота, вокруг которой действуют гироскопические силы корпуса, переворачивая вертолет через эту точку поворота. Это более вероятно на трехлопастных вертолетах с полозьями вместо шасси. Полозья имеют амортизаторы, чтобы предотвратить сотрясение, но если они донышки или плоские, силы проходят через них неравномерно. У вертолетов с колесным шасси с этим проблем меньше. Вот хороший ресурс ополностью шарнирные головки ротора .

Более 4 лопастей - это когда вертолеты стремятся снизить шум, сбалансировать характеристики (как грузоподъемность, так и маневренность) и устойчивость; и сохранение частот вне пилотного PIO и частот человеческого фактора становится более серьезной проблемой.

Schweizer 300 имеет полностью шарнирную головку несущего винта. На тренировках все сводится к тому, что Schweizer может терпеть более тяжелых учеников, чем Robinson R22 (полужесткая головка несущего винта), и при этом стоит примерно столько же. Прошло около 10 лет с тех пор, как я работал над ними, и я подозреваю, что запчасти найти еще труднее.

В дополнение к причинам, указанным в других ответах, есть еще кое-что по этому вопросу. Часто количество лопастей, включенных в конструкцию ротора, зависит от нагрузки на лопасти/диск, несущей способности и скорости. Во многих случаях количество лопастей определяется вибрацией, качеством езды и шумом.

В случае трехлопастных систем вибрация и шум ротора кратны 3/об, 6/об, 9/об. 2-х и 4-х лопастные системы кратны 2/об, 4, 8/об, 12/об. Системы с нечетными номерами редко демонстрируют достаточно большие дольные доли, чтобы вызывать беспокойство, в то время как системы с четными номерами могут охватывать весь спектр. Подумайте 5 против 6 лезвий. 5-лопастные MD500 почти не уступают по качеству езды неподвижному крылу при правильной настройке.

С другой стороны, возьмите Bell 214/214ST. Большой пример с 2 лопастями. Даже с узловой балочной подвеской для смягчения 2/оборот эти звери едут очень жестко и могут быть настроены только на зависание и одну номинальную крейсерскую скорость.

К вопросу о шуме. В конце 80-х пожарная служба округа Лос-Анджелес, вопреки здравому смыслу пилотов, получила мандат на замену двухлопастного Bell 205A-1 только из-за шума. Впоследствии они купили 4-лопастные Bell 412, характеристики которых на бумаге были заявлены как равные, если не немного лучше. Пилоты всегда предпочитали тактико-технические характеристики двухлопастных систем. Было много взлетов с максимальным взлетом с LACO Fire с вертолетной площадки Бартона на кораблях с 2 и 4 лопастями. Предвзлетный инструктаж на 4-х лопастных 412 не обошлось без упоминания о возможности травления груза при поступательном подъеме.

Расширяя тему шума... Чтобы оптимизировать аэроакустику винтокрылого аппарата и скорость несущего винта, лопасти несущего винта укорачиваются, а их количество увеличивается, чтобы уменьшить самый большой вклад в шум, которым являются законцовки лопастей, движущиеся на сверхзвуке. Это еще одна причина, по которой сейчас производится меньше трехлопастных несущих винтов.
Почему трехлопастные вертолеты относительно редки?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v