При колебании вертолета по первой форме происходит боковое смещение центра масс вертолета и поворот вертолета на некоторый угол относительно центра масс. Это бывает при остановке несущего винта после посадки вертолета или на начальном этапе раскрутки винта перед взлетом, когда тяга несущего винта близка к нулю, частота вращения его невелика и нагрузки на амортизаторы шасси практически равны стояночным. Здесь работает вся система амортизации шасси (и амортизаторы вместе с пневматиками), которая эффективно может использоваться для устранения земного резонанса.

Колебания вертолета по второй форме происходят относительно центра масс вертолета без его смещения. Они возникают перед отрывом вертолета от земли или в начальный момент его посадки, когда тяга несущего винта близка к силе тяжести, действующей на вертолет. На этих режимах амортизатор стойки выключается из процесса амортизации колебаний вертолета и работает как жесткий стержень. Поскольку демпфирующие свойства пневматиков малы, то общее демпфирование шасси на этих режимах близко к нулю. Поэтому частота колебаний вертолета по второй форме значительно больше, чем по первой.

Радикальным способом устранения земного резонанса мог быть подбор жесткостных характеристик шасси, при которых собственные колебания вертолета по первой и второй формам (где возможен земной резонанс) превышают рабочий диапазон частот вращения несущего винта. Однако в реальной конструкции шасси это невозможно из-за низкой упругости пневматика. И чтобы не попасть в резонанс, стремятся перейти на низкие частоты колебаний вертолета по первой форме. Для этого необходимы амортизаторы с пониженной жесткостью, что приводит к чрезмерно большим ходам амортизатора и уменьшает демпфирующие свойства амортизатора при посадке вертолета. Вместе с тем для отстройки от резонанса по второй форме стремятся увеличить жесткость пневматика и иметь достаточное демпфирование амортизатора уже в самом начале хода штока.

Разрешают это противоречие двумя способами: используют в конструкции главных стоек шасси двухкамерные амортизаторы; применяют амортизатор со специальным клапаном, который обеспечивает требуемое изменение жесткостных характеристик амортизатора в процессе его обжатия.

В двухкамерных амортизаторах (рис. 8.30, а) одна камера (низкого давления) предназначена для демпфирования колебаний вертолета при низких нагрузках на шасси, когда тяга несущего винта примерно равна весу вертолета, другая (высокого давления) предназначена для восприятия больших нагрузок на шасси в процессе посадки вертолета. Двухкамерный амортизатор имеет большую длину, и его удобно применять, когда нет ограничений на размеры стойки.

Рис. 30. Амортизационные стойки шасси вертолета

Амортизационные стойки шасси вертолета:
а — двухкамерная; б — однокамерная с клапаном; в — типовая диаграмма статического обжатия двухкамерного амортизатора; г — типовая диаграмма статического обжатия однокамерного амортизатора с клапаном; р_ам — давление в камере амортизатора; S — ход штока амортизатора.
При втором способе используется один амортизатор, в который устанавливают специальный пружинный клапан (рис. 8.30, б). Он открывается только тогда, когда сила сжатия в амортизаторе превышает некоторое критическое значение Р_кр. При нагрузке на амортизатор меньше Р_кр открыты отверстия в поршне штока амортизатора, выбранные из условия земного резонанса. При нагрузках больше Р_кр клапан открывается и открываются дополнительные отверстия большего диаметра, размеры которых выбирают из условий посадки вертолета.

Рис. 8.28. Силовая схема ферменного шасси

Силовая схема ферменного шасси:
а — трехстержневая пирамидальная; б — пирамидально-параллелограммная;
в — параллелограммная с вертикальной стойкой; г — пирамидальная с вертикальной стойкой; 1, 2 — узлы крепления к фюзеляжу; 3 — балка;
4, 7 — стержни фермы; 5, 9 — карданные узлы; 6 — ось колеса; 8 — амортизатор; 10 — стойка основного шасси; 11 — стойка основного шасси с амортизатором.

Условиям эксплуатации корабельных вертолетов (Ка-25, Ка-27, Ка-32) [4] лучше всего отвечает пирамидально-параллелограммная ферменная схема (8.28, б). Она позволяет получить большой ход колеса в вертикальном направлении, необходимый для демпфирования колебаний вертолета при боковой и курсовой качке корабля. Колея колес при этом меняется мало.

Балочную схему главного шасси (рис. 8.29, а) применяют, если компоновка планера вертолета позволяет отказаться от ферменной конструкции шасси.

Рис. 8.29. Силовые схемы балочного и рычажного шасси

Силовые схемы балочного и рычажного шасси:
а — балочная; б, в, г — рычажные; 1 — ось колеса; 2 — шток амортизатора;
3 — шлиц-шарнир; 4 — амортизатор; 5 — подкос (или цилиндр уборки шасси);
6 — рычаг; 7, 8 — карданные узлы.

Для уменьшения размеров амортизатора при ограниченной высоте стойки шасси применяют рычажную подвеску колеса. Одно из основных преимуществ рычажной подвески колеса — смягчение лобовых ударов. Рычажная стойка имеет несколько кинематических схем.

Схему часто используют для главных стоек неубирающихся шасси боевых вертолетов с хвостовым колесом. Для обеспечения требуемой колеи ось подвески рычага к стойке смещена вбок относительно узла крепления рычага к силовому элементу фюзеляжа.

При посадке вертолета шасси должно поглотить кинетическую энергию, которой вертолет обладает из-за наличия горизонтальной v_х и вертикальной v_y скоростей. Кинетическая энергия, определяемая горизонтальной скоростью v_х, поглощается в основном тормозами колес шасси. Кинетическая энергия, обусловленная наличием вертикальной скорости, поглощается пневматиками колес и амортизаторами.

Используемые для этой цели амортизаторы по устройству и свойствам аналогичны амортизаторам шасси самолетов.

Пневматики колес вертолета выбирают по значению стояночной нагрузки Р_ст, используя каталог самолетных колес. При этом учитывают более мягкие условия посадки вертолета (значительно меньшие посадочные скорости). Расчетную стояночную нагрузку на колесо берут на 30 % меньше указанной в каталоге. Для того, чтобы вертолет мог продвигаться по грунтовой взлетно-посадочной площадке, глубина колеи от колеса не должна превышать 6...8 см.

На вертолетах чаще применяют полубаллонные пневматики и пневматики высокого давления. Выбор типа пневматика зависит от условий эксплуатации вертолета. Вертолет с пневматиками низкого давления при движении по рыхлому, неплотному грунту вместо руления может совершать подлеты. Поэтому на вертолетах часто используют колеса с пневматиками полубаллонного типа с давлением 0,5...0,6 МПа. Колеса с пневматиками высокого давления, а также арочные колеса имеют большую жесткость и применяются на вертолетах палубного базирования.

Помимо поглощения и рассеяния кинетической энергии вертолета при посадке шасси вертолета участвует в демпфировании земного резонанса. Источником этих колебаний является неуравновешенная центробежная сила несущего винта. Она может возникнуть, когда втулка несущего винта имеет вертикальные шарниры, позволяющие лопастям совершать угловые перемещения в плоскости вращения.

Для исключения возникновения земного резонанса необходимо обеспечить достаточное демпфирование колебаний как вертолета на шасси, так и лопастей несущего винта относительно вертикального шарнира. Возможности демпфирования лопастей несущего винта ограничены, поскольку демпфер лопасти работает при поступательном полете вертолета и нагружает комлевую часть лопасти переменным изгибающим моментом. Чрезмерное демпфирование лопастей при сохранении условий прочности потребует дополнительной массы лопастей и втулки несущего винта. Поэтому исключение земного резонанса на вертолете в основном обеспечивается подбором демпфирующих свойств амортизаторов шасси.

Основные параметры шасси с носовым колесом (рис. 8.27):

расстояние от переднего колеса до центра масс вертолета a;

расстояние от колес главных опор шасси до центра масс вертолета b;

база с;

колея В;

угол опрокидывания θ;

высота шасси h;

противокапотажный угол g.

Расстояние от колес главных опор шасси до центра масс вертолета выбирают исходя из того, что на эти колеса должно приходиться 85...90 % веса вертолета. Такое распределение нагрузки обеспечивает продольную устойчивость вертолета и путевое управление при маневрировании. Кроме того, величина b должна быть такой, чтобы вертолет при загрузке через задний грузовой люк, осадке на главные колеса и движении по земле не опрокидывался на хвостовую предохранительную опору. Если база с мала, то на рулежке вертолет сильно раскачивается в продольной плоскости. Если база с велика, то на носовую стойку шасси будет приходиться очень маленькая нагрузка и пробег после посадки будет неустойчивым.

Рис. 8.27. Основные параметры шасси с носовым колесом

Минимально необходимую колею шасси В определяют с учетом поперечной устойчивости вертолета. При большой колее вертолет становится чувствительным к ударам в колеса при движении вследствие возрастания момента рыскания. При малой колее не обеспечивается поперечная устойчивость вертолета. Угол опрокидывания θ определяют из условия безопасности посадки вертолета на режиме авторотации.

Как правило, противокапотажный угол g = 35...40°. При высоком расположении центра масс в целях ограничения колеи В и сохранения значения g в указанных пределах приходится использовать две носовые опоры. По этой причине четырехколесное шасси применяют на большинстве вертолетов соосной схемы. Для того, чтобы вертолет мог перемещаться по неровной поверхности, высота шасси h должна быть не меньше 200 мм.

Колесное шасси бывает убирающимся и неубирающимся. Более легким является неубирающееся шасси. Его масса составляет 2,5...2,8 % взлетной массы вертолета. Убирающееся шасси имеет массу более 3 % взлетной массы вертолета.

Конструкция колесного шасси зависит от положения колеса относительно узла подвески опоры на фюзеляже, места уборки, длины опоры стойки и кинематической схемы уборки. Опоры шасси могут быть ферменной, балочной или рычажной конструкции.

К шасси вертолета предъявляют требования:

возможности свободного, устойчивого и управляемого передвижения вертолета по земле при разбеге, пробеге и рулежке;

поглощения и рассеяния энергии ударов при посадке и передвижении по земле с мягкой амортизацией вертолета при относительно небольших перегрузках;

демпфирования колебаний типа «земной резонанс» (самопроизвольно возникающих колебаний вертолета на земле с нарастающей амплитудой);

минимального лобового сопротивления (если шасси не убирается в полете).

Шасси вертолета может быть колесным, полозковым, поплавковым, лодкой (рис. 8.26). На некоторых вертолетах применяют комбинированное шасси. Например, на вертолете-амфибии взлетно-посадочным устройством является лодка в сочетании с колесным шасси, а на колесное шасси корабельного вертолета устанавливают баллонеты для выполнения аварийной посадки на воду. На большинстве вертолетов используют колесное и полозковое шасси. Колесное шасси применяют для вертолетов всех весовых категорий. Полозковое шасси имеет более простую конструкцию, меньшую массу и аэродинамическое сопротивление, однако невозможность посадки вертолета с пробегом, взлета с разбегом и руления делают целесообразным применение шасси этого типа только на легких вертолетах.

Колесное шасси. Вертолет с колесным шасси на стоянке имеет три (трехколесное шасси) либо четыре точки опоры (четырехколесное шасси). В трехколесном шасси две опорные точки располагают симметрично относительно продольной оси фюзеляжа вертолета вблизи его центра масс — это главные опоры шасси. Третью опорную точку располагают по оси фюзеляжа вертолета впереди главных опор — носовая опора шасси или сзади главных опор — хвостовая опора шасси.

В четырехколесном шасси в отличие от трехколесного устанавливают две носовые опоры. У вертолетов одновинтовой схемы на конце хвостовой балки имеется предохранительная опора с амортизацией в целях предохранения от удара промежуточного редуктора и рулевого винта о землю при посадке вертолета на авторотации.

На большинстве вертолетов применяют шасси с носовым колесом, поскольку такая схема обеспечивает более безопасную и простую посадку вертолета в условиях плохой видимости, хорошую путевую устойчивость при разбеге и пробеге.

Рис. 8.26. Типы шасси

Типы шасси:
а — колесное; б — полозковое; в — поплавковое; г — лодка.

Преимуществом композиционных материалов по сравнению с ортотропными является возможность располагать армирующий материал по направлению приложенной нагрузки, рационально используя массу материала и изменяя жесткость силового элемента при отстройке от резонансных режимов колебаний.

Композиционные материалы обладают высоким сопротивлением усталости и динамической петлей упругого гистерезиса, в результате чего высокочастотные колебания демпфируются элементами конструкции.

Рис. 8.23. Фюзеляж экспериментального вертолета Боинг-360

Фюзеляж экспериментального вертолета Боинг-360:
1 — кабина экипажа; 2 — передний редуктор несущего винта; 3 — обтекатель вала трансмиссии; 4 — киль-пилон; 5 — продольные элементы фюзеляжа;
6 — грузовой трап; 7 — шпангоуты; 8 — нижняя панель фюзеляжа;
9 — трехслойные панели.

разгрузки несущего винта на одновинтовом вертолете в целях повышения скорости полета. Одновременно крыло может выполнять роль лафета для подвески грузов на пилонах;

крепления и разгрузки несущих винтов, крепления стоек шасси и размещения топливных баков на винтокрыле поперечной схемы (рис. 8.24);

Рис. 8.24. Винтокрыл поперечной схемы Ка-22

Крепления несущего винта и создания подъемной силы в горизонтальном полете на преобразуемом аппарате (рис. 8.25).

Рис. 8.25. Преобразуемый винтокрылый ЛА поперечной схемы с поворотными винтами V–22 «Оспри»

Преобразуемый винтокрылый ЛА поперечной схемы с поворотными винтами V–22 «Оспри»:
1 — фюзеляж; 2 — крыло; 3 — поворотные винты с силовыми установками;
4, 5 — вертикальное и горизонтальное оперение.

В зависимости от назначения крыла меняется величина и характер нагрузки на его силовые элементы.

Характер нагружения консолей крыльев преобразуемого винтокрылого ЛА поперечной схемы (например, экспериментальный аппарат V-22) на вертолетном и переходном режимах обусловил необходимость отстройки системы крыло — несущий винт от аэроупругих колебаний различных форм. Одним из возможных рациональных путей решения данной сложной проблемы является использование волокнистых композиционных материалов в поясах кессона крыла.

Все принципы формирования конструктивно-силовой схемы консольного свободнонесущего крыла полностью применимы к конструированию стабилизатора и киля.

Стабилизатор работает аналогично крылу.

В процессе расчета продольной балансировки вертолета с учетом максимальной передней и задней центровки решается вопрос о целесообразности изменения в полете или на земле углов установки стабилизатора.

Киль представляет собой консольную балку, нагружающую хвостовую балку кручением и изгибом. Киль одновинтового вертолета выполняют стреловидной формы по компоновочным соображениям.

На верхней части киля устанавливают картер редуктора рулевого винта. В килевой балке проходит вал рулевого винта. Для его монтажа и контроля в силовой схеме килевой балки необходимо предусматривать люки или схемные панели, поэтому силовую схему киля выполняют лонжеронной: однолонжеронной с задней стенкой или двухлонжеронной. Стыковку килевой балки к силовым элементам хвостовой балки осуществляют подобно стыковке крыла с центропланом.

Если вал рулевого винта по компоновочным соображениям может быть размещен в носовой части киля, то носовую часть выполняют несиловой, в виде обтекателя, а силовую схему киля выполняют кессонного типа.

Оперение вертолета соосной схемы состоит из горизонтального (стабилизатор и руль высоты) и вертикального (два киля с рулями направления) и предназначено для улучшения характеристик продольной и путевой устойчивости, а также для путевого управления вертолета с помощью рулей направления на режимах полета с поступательной скоростью. Эффективность рулей направления возрастает с увеличением скорости горизонтального полета. Для получения высоких характеристик путевой устойчивости вертолета на режимах полета с поступательной скоростью кили вертикального оперения устанавливают под углом к продольной оси вертолета, хвостиками наружу.

Задачу выбора рациональной конструктивно-силовой схемы фюзеляжа решают косвенными методами с привлечением весовых статистических данных, параметрических зависимостей и сведений о силовых схемах предшествующих конструкций. В большинстве случаев тип конструкции фюзеляжа выбирается исходя из предъявляемых к вертолету требований, условий эксплуатации и возможности производства. Задача сводится к поиску лучшего варианта в рамках заданного конструктивного типа.

Рис. 8.22. Фюзеляж вертолета AS-315 «Лама» с ферменной хвостовой балкой

Аэродинамическая асимметрия несущего винта с колеблющимися лопастями является источником вибраций на вертолете. Вибрации передаются на фюзеляж через узлы крепления главного редуктора. Устранение или ослабление вибраций имеет своей задачей:

обеспечение комфорта экипажа и пассажиров;

уменьшение усталостных нагрузок на конструкцию;

предохранение от повреждений чувствительного электронного оборудования, размещенного на борту вертолета.

Соответствующим выбором параметров лопасти, втулки несущего винта, системы управления лопастями несущего винта, параметров вала несущего винта и его материала, применением виброгасителей на втулке несущего винта и в узлах крепления главного редуктора к элементам фюзеляжа полностью устранить вибрации не удается из-за изменения реакции конструкции фюзеляжа при различных условиях полета вертолета. Поэтому конструирование силовых элементов фюзеляжа выполняют с учетом требований сопротивления усталости [20]. Необходимо устранять концентраторы сил и напряжений в местах соединений, не допускать фретинг-коррозии в силовых стыках, применять трещиностойкий (вязкий) материал.

В практике российского вертолетостроения широкое применение получило клеесварное соединение обшивки фюзеляжа с элементами каркаса (вертолеты Ми-2, Ми-24, Ми-26 и др.). Такое соединение уменьшает концентрацию напряжений около сварной точки благодаря частичной ее разгрузке клеевым соединением. Кроме того, наличие клеевого слоя между обшивкой и полкой стрингера, шпангоута исключает химическую коррозию от влияния конденсированной влаги.

Рис. 8.21. Фюзеляж легкого вертолета Швейцер (Хьюз) 300С

Конструкция фюзеляжа пассажирского вертолета во многом определяется уровнем санитарно-технических требований внутри пассажирской кабины, требованиями к устройству аварийных выходов для пассажиров, тепло- , звукоизоляции и вентиляции.

В практике вертолетостроения используется накопленный в самолетостроении опыт формирования конструктивно-силовых схем каркасных агрегатов. Фюзеляжи вертолетов выполняют по балочной, ферменной или смешанной схемам. Силовые элементы конструкции фюзеляжа — лонжероны, стрингеры, шпангоуты (нормальные, силовые, стыковочные), обшивка имеют то же назначение, что и на фюзеляже самолета.

Методы оптимизации сжатых и растянутых панелей каркасных агрегатов имеют общий для авиации критерий — минимальность массы конструкции при удовлетворении требований прочности, жесткости, живучести, ресурса, технологичности, эксплуатационной эффективности и др. Методы проектирования каркасных агрегатов подробно изложены в [2].

В вертолетостроении широко применяют балочную схему фюзеляжа. В балочной конструкции максимально используется внутренний объем фюзеляжа, обеспечивают все требования аэродинамики и технологии.

Балочные фюзеляжи подразделяют на два типа — лонжеронные и моноблочные.

Разновидностью моноблочной конструктивно-силовой схемы фюзеляжа является монокок. Монокок из однородного материала (алюминиевые сплавы, композиты) предусматривает наличие обшивки и шпангоутов. Все силы и моменты воспринимает обшивка. Чаще всего монокок применяют для хвостовых балок вертолета. Многослойный монокок имеет трехслойные панели с тонкими несущими слоями, подкрепленными сотовыми наполнителями. Конструктивное выполнение трехслойных панелей весьма разнообразно и определяется материалами наружного и внутреннего слоев, видом наполнителя, методом соединения внешних слоев с наполнителем.

Возможность применения тонких обшивок, хорошо подкрепляемых сотовым наполнителем, имеющим небольшую плотность, делает сотовые конструкции резервом снижения массы фюзеляжа. Высокая удельная прочность и стойкость к вибрационным и акустическим нагрузкам определяют все растущее применение сотовых конструкций в качестве силовых элементов фюзеляжей вертолетов всех весовых категорий.

Рис. 8.16. Компоновочная схема одновинтового вертолета с механическим приводом несущего винта

Компоновочная схема одновинтового вертолета с механическим приводом несущего винта:
1 — кабина экипажа; 2 — главный редуктор; 3 — несущий винт; 4 — обтекатель двигателя; 5 — двигатель; 6 — вал рулевого винта; 7 — рулевой винт; 8 — киль;
9 — хвостовая опора; 10 — стабилизатор; 11 — хвостовая балка;
12 — пассажирская (грузовая) кабина; 13 — посадочное устройство.
Свойство вертолета выполнять любые перемещения в пространстве стало причиной использования его в качестве вертолета-крана, способного не только транспортировать груз, но и обеспечить монтажные работы по установке этого груза на заданном объекте. Технология работы вертолета-крана определила форму его фюзеляжа. Фюзеляж превратился в силовую балку, предназначенную для крепления кабины фюзеляжа и узлов внешней тросовой подвески или грузовых контейнеров (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Фюзеляж вертолета-крана S-64A

Фюзеляж вертолета-крана S-64A:
1 — кабина оператора; 2 — кабина летчиков; 3 — силовая установка;
4 — несущий винт, 5 — силовая балка фюзеляжа; 6 — вал рулевого винта;
7 — рулевой винт; 8 — стойки основного шасси; 9 — внешняя подвеска груза;
10 — носовая стойка шасси.

http://atlantic-drugs.net/products/viagra.htm

Создание таких систем открывает новые качественные возможности для улучшения характеристик устойчивости и управляемости вертолетов.

В целом система управления современным вертолетом должна включать в себя: систему электродистанционного управления (ЭДСУ), механическую часть системы управления (МЧСУ) и систему улучшения устойчивости и управляемости (СУУ или САУ – систему автоматического управления), входящую в состав пилотажно-навигационного комплекса.

Уже сейчас возможно применение единой многократно резервированной автоматической системы управления (АБСУ), позволяющей осуществлять полет вертолета в различных режимах, вплоть до автоматического захода на посадку. Такую объединенную систему управления можно назвать комплексной системой управления.

Системы ЭДСУ уже установлены на вертолетах S-70, Black Hawk, RAH-66, «Ансат» и др.