Koaxiální rotory

Koaxiální schéma  - schéma pro konstrukci vrtulníku (nebo leteckých vrtulí ), ve kterém se dvojice paralelně instalovaných vrtulí otáčí v opačných směrech kolem společné geometrické osy .

U rotorových letadel umožňuje vzájemně kompenzovat jalové momenty dvojice rotorů při zachování co nejhustšího uspořádání pohonů.

Tato konfigurace je nejvíce zastoupena u sériově vyráběných vrtulníků Kamov .

Popis

Koaxiální rotory umožňují získat potřebnou přítlačnou sílu při relativně malém průměru nosného systému (lopatek), protože je dobře využita plocha rozmítání a spodní rotor nasává přídavný vzduch ze strany. Vrtulník s koaxiálními rotory má relativně malé rozměry a je poměrně kompaktní, což zjednodušuje jeho údržbu, skladování, přepravu a rozšiřuje jeho pole působnosti. Malé rozměry, snižující hmotnostní rozdíl, vytvářejí malé momenty setrvačnosti , proto má vrtulník vysoké úhlové rychlosti otáčení a vysokou manévrovatelnost .

Symetrické uspořádání s minimálními roztečemi vrtulí zjednodušuje pilotáž v podmínkách nárazového větru, což je zvláště cenné při práci z lodí nebo v horském terénu. Absence objemného ocasního ramene usnadňuje pilotování v malých výškách, zlepšuje bezpečnost letu v nerovném terénu a zjednodušuje vynucená přistání. Zjednodušuje přechod do režimu samorotace nosných rotorů a nácvik letů vrtulníků.

Eliminace ztrát pohonu ocasního rotoru umožňuje zmenšit průměr hlavních rotorů, protože se zlepšuje využití výkonu motoru. Zmenšení délky listů vrtule vede ke snížení hmotnosti konstrukce vrtulníku a zvýšení koeficientu návratnosti hmotnosti (poměr užitečného zatížení k letové hmotnosti). V zásadě je u koaxiálního vrtulníku možné zajistit nižší úroveň vibrací , pokud jsou zatížení od vrtulí ve fázi opačné. Ke snížení úrovně vibrací přispívá i menší průměr rotorů, větší počet lopatek a absence hnacích hřídelí procházejících celým trupem .

Ve srovnání s klasickým schématem ocasního rotoru je však koaxiální schéma mnohem technicky a konstrukčně složitější. Přítomnost dvou koaxiálních hřídelí přecházejících jeden do druhého a implementace řízení cyklického stoupání šroubů komplikují konstrukci převodovky , zvyšují náklady na její výrobu a provoz. Pro bezpečný provoz koaxiálních vrtulníků by se listy neměly při jakýchkoli manévrech střetávat, ale velká rozteč vrtulí dodatečně zatěžuje konstrukci a výrazně zvyšuje výšku vrtulníku, což je patrné zejména při použití vrtulí s kloubovými listy.

S vysokým umístěním nosného systému, těžištěm vrtulníku, elastickým hřídelem vrtule a kloubovým upevněním listů se řešení problému zemní rezonance stává složitějším .

Chvění lopatek má také některé vlastnosti . U koaxiálních vrtulníků je obtížné eliminovat zpětné vibrace. Spodní rotor pracující v proudu horního rotoru má menší účinnost. [jeden]

Výhody a nevýhody

Výhody koaxiálního schématu:

• minimální celkové rozměry, protože listy koaxiálních vrtulí jsou kratší než hlavní listy vrtulníků s ocasním rotorem podobné třídy. Vyžaduje minimální dráhu ve srovnání s jinými systémy;
• kompaktnost převodovky . Prakticky celý převod je umístěn podél jediné hřídele ;
• srovnatelné snadné řízení. Všechny ovládací prvky jsou umístěny vedle převodovky a při provádění manévrů není vynakládán další výkon z motorů;
• lepší stabilita při přímočarém pohybu vysokou rychlostí díky snížení vibrací;
• menší počet kriticky zranitelných součástí, jako je ocasní výložník a ocasní rotor jednorotorových vrtulníků;
• větší poměr tahu k hmotnosti ve srovnání s tradičním schématem  - alespoň 20 % v režimu visení. Na ocasním rotoru nedochází k žádné ztrátě výkonu , kromě toho spodní šroub nepracuje úplně v proudu vzduchu horního šroubu, ale nasává další vzduch;
• aerodynamická symetrie schématu. Koaxiální zařízení může létat v libovolném směru s téměř stejnou účinností;
• snížení vibrací, které je usnadněno menšími rozměry rotorů;
• bezpečnost pro obsluhující personál. Absence ocasního rotoru snižuje možnost zranění.

nedostatky:

• zhoršení účinnosti rotorů v důsledku jejich vzájemného ovlivňování v různých režimech letu oproti podélnému a příčnému schématu;
• relativně velká výška vrtulníku kvůli velké vzdálenosti mezi šrouby, to zase zvyšuje aerodynamický odpor , což nepříznivě ovlivňuje maximální horizontální rychlost;
• pravděpodobnost překrytí listů v kritických režimech letu (ačkoli k překrytí může dojít přibližně ve stejných režimech letu jako u hlavního rotoru s ocasním ráhnem klasického schématu);
• mírně vyšší rychlost klouzání v režimu autorotace , tj. samorotace rotorů působením přicházejícího proudu vzduchu;
• obtížnější zajistit směrovou stabilitu kvůli inherentnímu schématu krátkého trupu, takže většina koaxiálních vrtulníků má vyvinutou svislou ocasní plochu ;
• složitost výroby, oprav a údržby [2]

Ve vrtulníkovém inženýrství

Koaxiální rotor byl znám dávno před myšlenkou na vytvoření vrtulníku s ocasním rotorem: například v roce 1754 navrhl „otec ruské vědy“ Michail Lomonosov použít mechanismus s koaxiálním šroubem ke zvednutí meteorologické sondy . , mechanismus byl poháněn navíjecí pružinou.

• První patent na koaxiální uspořádání rotorů letadla byl vydán v roce 1859 Angličanovi Henry Brightovi.
• Ve Francii postavil Poton de Amercourt v roce 1860 koaxiální model vrtulníku s parním strojem . [3]
• Igor Sikorsky podnikl své první kroky ve vrtulníkovém průmyslu v roce 1900 s prototypy bezpilotních vrtulníků s koaxiální vrtulí. [čtyři]
• V roce 1914 navrhl Dán Jacob Ellehammer svůj koaxiální vrtulník.
• V Rakousku postavil Stefan Petrozi v letech 1917-1920 několik koaxiálních bezpilotních vrtulníků s elektromotory  . Vrtulník mohl být pouze v režimu visení.
• Argentinec Raul Pescara postavil  koaxiální vrtulník v letech 1919-1920 ; vrtulník měl 4 šrouby, páry šroubů spojené jako dvouplošník se otáčely v opačných směrech [5] . Na počátku 20. let 20. století Raul Peteras-Pescara pracoval na koaxiálním vrtulníku, ve kterém poprvé použil cykliku k ovládání vrtulníku .
• V roce 1930 Ital Corradino d'Ascanio postavil koaxiální vrtulník ovládaný servolisty, podobné řešení je použito na Kaman HH-43 Huskie .
• V letech 1930-1936 byl postaven první koaxiální vrtulník s cyklickými deskami, sestrojili jej Francouzi Louis Breguet a René Doran. První plně řízený vrtulník byl Laboratorní vírník postavený Charlesem Breguetem a René Doranem v roce 1936 [6]7] .

• Američan Stanley Hiller ve svých 18 letech postavil první koaxiální vrtulník XH-44 s celokovovými ultrapevnými ocelovými lopatkami. Hiller provedl první let na tomto vrtulníku v roce 1944. Návrh se osvědčil natolik, že sám Hiller často demonstroval jeho stabilitu uvolněním ovladačů a vystrčením rukou z oken. [osm]
• V letech 1945-1946. americká společnost Bendix Helicopters [9] postavila několik prototypů (Model K, L a J) [10] , jejichž koaxiální schéma umožňovalo létat bez ocasního ráhna a ocasní plochy.

V Sovětském svazu se Jakovlevův tým poprvé chopil tématu koaxiálních vrtulníků v roce 1944; o něco později, v roce 1945, se práce chopil tým nadšenců pod vedením N. I. Kamova (za zmínku stojí, že ještě v Ruském impériu vznikly první dva prototypy vrtulníku Igora Sikorského (tvůrce prvního úspěšného vrtulníku klasické schéma V-300) byly dokončeny (1900) podle koaxiálního schématu [6] ). Jakovlevův vrtulník „ Vtip “ se poprvé vznesl do vzduchu 20. prosince 1947 [11] a vrtulník Kamov Ka-8 - o něco dříve, 12. listopadu 1947 [12] . Právě pro konstrukční kancelář Kamov se však koaxiální schéma stalo hlavním, vrtulníky Kamov jsou dodnes jedinými sériově vyráběnými vrtulníky s koaxiálním schématem na světě.

V Sovětském svazu byl první druhý pilot postaven v Jakovlevově konstrukční kanceláři, nazýval se „Product Sh“ nebo „Vtip“, první let se uskutečnil v roce 1947 .

• První vrtulník Kamov Ka-8 "Irkutian" vzlétl také v roce 1947;
• Ka-10 "Irkutian" - další vývoj Ka-8 (1949);
• Ka-15  - první koaxiální vrtulník vyrobený ve velké sérii (1953);
• Ka-18 "Baby" (1956);
• Ka-27  - protiponorkový vrtulník (1956);
• Ka-25 (1961);
• Ka-26 (1965);
• Sikorsky S-69 / XH-59 (1973);
• Ka-29 (1976);
• Ka-32 (1980);
• Ka-28 (1982);
• Ka-50 "Černý žralok" (1982);
• Ka-126 (1988);
• Ka-37 (1993);
• Ka-32A1 (1995);
• Ka-52 "Aligátor" (1997);
• Ka-226 (modernizace Ka-26; 1997);
• Ka-115 "Moskvichka" (projekt v polovině 90. let );
• Ka-137 "Pepelats" (1999);
• Berkut-VL (projekt z roku 2000)
• Breguet Aviation : en: Breguet-Dorand Gyroplane Laboratoire  - prototyp koaxiálního vrtulníku, 30. léta;
• Sikorsky X2 (první let - 2008; projekt uzavřen v roce 2011);
• Sikorsky S-97 Raider (první let - 2015)

• Ka-50

• Laboratoř vírníků

• Vírník QH-50 DASH

• Ka-27

• Berkut-VL

Ve stavbě letadel

• Tu-95  - sovětský a ruský turbovrtulový strategický bombardér - nosič raket . Vzhledem k obrovskému výkonu pohonné jednotky přenášené na vrtuli byla přijata koncepce koaxiální protiběžné trhaviny (jinak by průměr vrtule přesahoval 7 metrů, což bylo z dispozičních důvodů nepřijatelné).
• An-22  je sovětský těžký turbovrtulový dopravní letoun , největší turbovrtulový letoun na světě.
• Fairey Gannet - protiponorkový letoun založený na britské nosné lodi a letoun AWACS z 50.  - 70. let .
• Westland Wyvern byl britský víceúčelový bojový letoun založený na britských letadlových lodích používaný v letech 1950 až 1958 .
• Douglas A2D-1 Skyshark ( Skyshark ) - americký zkušený útočný letoun založený na nosných lodích , vyvíjený v letech 1945 až 1950 . Vzhledem a strukturou skupiny vrtulí je podobná britskému Westland Wyvern.
• Arsenal VB 10  je francouzský experimentální dvoumotorový stíhací letoun vyvinutý před a nějakou dobu po druhé světové válce. Zajímavé umístění obou motorů v trupu , přičemž první je před kabinou , druhý za ní (na způsob P-39 Airacobra )

Koaxiální schéma v leteckém modelování

Zjednodušené koaxiální schéma je široce používáno u nejjednodušších a nejmenších modelů vrtulníků. U tohoto modelu jsou vrtule nezávisle řízeny rychlostí rotace, což zajišťuje stabilizaci modelu v rotaci a rotaci. Let vpřed-vzad nejčastěji zajišťuje malý třetí horizontální ocasní rotor, který upravuje sklon.

Tento typ modelu je mnohem stabilnější než klasický vzor, ​​takže je ideální pro začátečníky a/nebo indoor létání. Ale toto schéma má nevýhody:

• většina těchto modelů má pevný krok, což značně zjednodušuje model, ale zhoršuje ovladatelnost modelu po trati;
• neschopnost létat venku za větrného počasí.

Poznámky

1. ↑ K. N. Laletin. Praktická aerodynamika vrtulníku ka-26, výukový archiv z 11. října 2016 na Wayback Machine  - Moskva, " Doprava ", 1974
2. ↑ Praktická aerodynamika vrtulníku Ka-26 / K.N. Laletin. - M. : "Transport", 1974. Archivní kopie z 11. října 2016 na Wayback Machine
3. ↑ Early Helicopter Technology Archivováno 21. srpna 2011.
4. ↑ Historie letu helikoptér Archivováno 13. července 2014.
5. ↑ Všechny vrtulníky na světě . Získáno 12. listopadu 2011. Archivováno z originálu 17. ledna 2017. (neurčitý)
6. ↑ 12 Laboratoř vírníků . http://www.aviastar.org.+ Získáno 4. dubna 2012. Archivováno z originálu dne 10. června 2012. (Ruština)
7. ↑ A History of Helicopter Flight  (anglicky)  (nedostupný odkaz) . Získáno 4. září 2012. Archivováno z originálu 19. června 2012.
8. ↑ Vrtulník Hiller Xh-44-r . http://www.aviastar.org.+ Získáno 4. dubna 2012. Archivováno z originálu 20. listopadu 2012. (Ruština)
9. ↑ Vrtulník Bendix Model K - Historie vývoje, fotografie, výkresy, technická data . www.aviastar.org . Získáno 31. května 2022. Archivováno z originálu dne 31. května 2022. (neurčitý)
10. ↑ Vrtulník Bendix Model J - historie vývoje, fotografie, technická data . www.aviastar.org . Získáno 31. května 2022. Archivováno z originálu dne 19. dubna 2021. (neurčitý)
11. ↑ Jakovlev EG . Získáno 8. června 2018. Archivováno z originálu 13. října 2016. (neurčitý)
12. ↑ Vrtulník Ka-8 . http://www.aviastar.org.+ Získáno 4. dubna 2012. Archivováno z originálu 16. března 2012. (Ruština)

Odkazy

• AERODYNAMICKÁ OPTIMALIZACE KOAXIÁLNÍHO PROPROTORU Archivováno 23. září 2016 na Wayback Machine 
•  Přehled teoretického a experimentálního výzkumu aerodynamiky koaxiálního rotoru