Управление полетом вертолета

Органы управления полетом вертолета используются для достижения и поддержания управляемого аэродинамического вертолета полета . ^{[ 1 ]} Изменения в системе управления полетом самолета механически передаются на несущий винт, оказывая аэродинамическое воздействие на лопасти несущего винта, заставляя вертолет двигаться желаемым образом. Для наклона вперед и назад (тангаж) или вбок (крен) требуется, чтобы органы управления изменяли угол атаки лопастей несущего винта циклически во время вращения, создавая различную подъемную силу в разных точках цикла. изменяли угол атаки для всех лопастей Для увеличения или уменьшения общей подъемной силы необходимо, чтобы органы управления одновременно на одинаковую величину, что приводит к подъему, спуску, ускорению и замедлению.

Типичный вертолет имеет три входа для управления полетом: циклический рычаг, коллективный рычаг и педали противодействия крутящему моменту. ^{[ 2 ]} В зависимости от сложности вертолета циклический и коллективный сигналы могут быть связаны друг с другом с помощью смесительного узла , механического или гидравлического устройства, которое объединяет входные данные от обоих и затем передает «смешанный» входной сигнал на поверхности управления для достижения желаемого результата. . Ручной дроссель также можно рассматривать как средство управления полетом, поскольку он необходим для поддержания скорости несущего винта на небольших вертолетах без регуляторов. Регуляторы также помогают пилоту контролировать общий шаг несущих винтов вертолета, чтобы обеспечить стабильный и более точный полет.

Элементы управления

Циклический

Циклическое управление, обычно называемое циклическим джойстиком или просто циклическим , на большинстве вертолетов внешне похоже на ручку управления самолета. Ручка циклического управления обычно поднимается из-под передней части сиденья каждого пилота. Robinson R22 имеет «балансирующую» циклическую конструкцию, соединенную с центральной колонной, расположенной между двумя сиденьями. Вертолеты с электродистанционными системами позволяют устанавливать контроллер циклического типа сбоку от сиденья пилота.

Циклический используется для управления несущим винтом с целью изменения направления движения вертолета. При висении циклик управляет движением вертолета вперед, назад и вбок. Во время полета вперед циклические управляющие сигналы вызывают изменения траектории полета, аналогично полету самолета с неподвижным крылом; Левый или правый входы заставляют вертолет разворачиваться в желаемом направлении, а входы вперед и назад изменяют положение тангажа вертолета, что приводит к изменению высоты (набор высоты или полет вниз).

Управление называется циклическим, поскольку оно независимо изменяет механический угол шага или угол флюгирования каждой лопасти несущего винта в зависимости от ее положения в цикле. Шаг изменяется так, что каждая лопасть будет иметь одинаковый угол падения при прохождении одной и той же точки цикла, изменяя подъемную силу, создаваемую лопастью в этой точке, и заставляя каждую лопасть изменять свой угол падения, то есть слегка поверните вдоль своей длинной оси по мере прохождения одной и той же точки. Если эта точка находится прямо впереди, шаг лопасти ненадолго увеличивается в этом направлении. Таким образом, если пилот толкает циклический двигатель вперед, диск несущего винта наклоняется вперед, и вертолет тянется прямо вперед. Если пилот толкает циклический рычаг вправо, диск несущего винта наклоняется вправо.

Любая система несущего винта имеет задержку между моментом вращения, когда органы управления вводят изменение шага, и моментом, когда происходит желаемое изменение полета лопасти несущего винта. Эта разница вызвана фазовой задержкой , которую часто путают с гироскопической прецессией . Ротор — это колебательная система, подчиняющаяся законам вибрации, которые, в зависимости от системы ротора, могут напоминать поведение гироскопа.

Коллектив

Орган управления общим шагом, или общий рычаг , обычно расположен с левой стороны сиденья пилота и имеет регулируемый фрикционный контроль для предотвращения непреднамеренного движения. Коллектив изменяет угол наклона всех лопастей несущего винта коллективно (т. е. всех одновременно) и независимо от их положения во вращательном цикле. Следовательно, если подается коллективный вход, все лопасти изменяются одинаково, и в результате вертолет увеличивает или уменьшает свою общую подъемную силу, получаемую от несущего винта. В горизонтальном полете это приведет к набору высоты или снижению, тогда как при наклоне вертолета вперед увеличение общей подъемной силы приведет к ускорению вместе с заданной величиной подъема.

Если у вертолета произошел сбой в электропитании, пилот может отрегулировать общий шаг, чтобы винт продолжал вращаться, создавая достаточную подъемную силу для приземления и заноса при относительно мягкой посадке. ^{[ 3 ]}

Управление общим шагом в самолете Boeing CH-47 Chinook называется управлением тягой , но служит той же цели, за исключением того, что оно управляет двумя системами несущих винтов, применяя дифференциальный общий шаг. ^{[ 4 ]}

Дроссель

Несущие винты вертолетов предназначены для работы с определенной скоростью вращения. Дроссель . управляет мощностью двигателя, который соединен с ротором посредством трансмиссии Настройка дроссельной заслонки должна поддерживать достаточную мощность двигателя, чтобы поддерживать скорость несущего винта в пределах, при которых ротор создает достаточную подъемную силу для полета. мотоциклетного типа На многих вертолетах рычаг дроссельной заслонки представляет собой одинарную или сдвоенную поворотную рукоятку , установленную на коллективном органе управления (вращение противоположно дроссельной заслонке мотоцикла), в то время как некоторые многомоторные вертолеты имеют рычаги управления.

Во многих вертолетах с поршневыми двигателями пилот манипулирует дроссельной заслонкой, чтобы поддерживать скорость несущего винта. Вертолеты с турбинными двигателями и некоторые вертолеты с поршневыми двигателями используют регуляторы или другие электромеханические системы управления для поддержания скорости несущего винта и освобождения пилота от повседневной ответственности за выполнение этой задачи. (Обычно также возможен ручной возврат в случае сбоя регулятора.)

Педали с защитой от крутящего момента

Педали противодействия крутящему моменту расположены в том же месте, что и педали руля направления в самолете, и служат той же цели — они контролируют направление, в котором указывает нос самолета. Нажатие педали в заданном направлении изменяет шаг лопастей рулевого винта, увеличивая или уменьшая тягу рулевого винта и вызывая рыскание носа в направлении нажатой педали. ^{[ 5 ]}

Более поздние конструкции, известные как « НОТАР », используют воздушный поток для обеспечения контроля крутящего момента вместо рулевого винта. Этот воздушный поток создается в фюзеляже небольшим вентилятором или турбиной и направляется из задней части хвостовой балки через вентиляционные отверстия. Внутренние регулирующие лопатки могут изменять этот поток, позволяя контролировать ось отклонения от курса. Системы NOTAR безопаснее, чем использование вращающегося рулевого винта, а отсутствие несущего винта также устраняет связанное с ним сопротивление, потенциально повышая эффективность. ^{[ 6 ]}

Управление и эффекты вертолета
Имя	Непосредственно контролирует	Первичный эффект	Вторичный эффект	Используется в прямом полете	Используется в полете на зависании.
Циклический (боковой)	Изменяется шаг лопастей несущего винта при движении вперед и назад.	Наклоняет диск несущего винта вперед и назад через автомат перекоса.	Вызывает наклон носа вниз или вверх	Для регулировки скорости движения вперед и управления поворотом	Для перемещения вперед/назад
Циклический (продольный)	Изменяется шаг лопастей несущего винта при движении влево и вправо.	Наклоняет диск несущего винта влево и вправо через автомат перекоса.	Вызывает крен в направлении движения	Чтобы создать движение в стороны	Чтобы двигаться боком
Коллектив	Общий угол атаки основных лопастей несущего винта через автомат перекоса.	Увеличивайте/уменьшайте угол наклона всех лопастей несущего винта одинаково, заставляя самолет подниматься/опускаться.	Увеличить/уменьшить крутящий момент. В некоторых вертолетах регулятор(ы) дроссельной заслонки является частью коллективного рычага управления. Скорость ротора поддерживается практически постоянной на протяжении всего полета.	Регулировка мощности посредством настройки шага лопастей несущего винта.	Для регулировки высоты полозья/вертикальной скорости
Педали с защитой от крутящего момента	Коллективный шаг, подаваемый на рулевого винта лопасти	Скорость рыскания	Увеличение/уменьшение крутящего момента и частоты вращения двигателя (меньше общих)	Чтобы отрегулировать угол бокового скольжения	Для управления скоростью/курсом рыскания

Условия полета

У вертолета есть три основных режима полета: зависание, полет вперед и авторотация.

Наведите указатель мыши

Некоторые пилоты считают зависание самым сложным аспектом полета вертолета. ^{[ 7 ]} Поскольку вертолеты, как правило, динамически нестабильны, отклонения от заданного положения не корректируются без участия пилота. Таким образом, пилоту необходимо часто вносить управляющие воздействия и корректировки, чтобы удерживать вертолет на желаемом месте и высоте. Использование пилотом управляющих воздействий при висении следующее: циклическое управление используется для устранения сноса в горизонтальной плоскости (например, движения вперед, назад и из стороны в сторону); коллектив используется для поддержания заданной высоты; а педали рулевого винта (или системы стабилизации крутящего момента) используются для управления направлением носа или курсом . Именно взаимодействие этих элементов управления может затруднить обучение зависанию, поскольку часто регулировка любого одного элемента управления требует настройки двух других, что требует от пилота знания взаимодействия входных сигналов управления, необходимых для обеспечения плавного полета.

Прямой полет

В прямом полете органы управления вертолетом ведут себя больше как органы управления самолетом. Перемещение циклического регулятора вперед приводит к уменьшению тангажа носа, что приводит к потере высоты и увеличению скорости полета. Перемещение циклического регулятора назад приводит к тангажу носа, замедляя вертолет и заставляя его набирать высоту. Увеличение коллективной мощности (мощности) при сохранении постоянной воздушной скорости вызывает набор высоты, а уменьшение коллективной мощности (мощности) заставляет вертолет снижаться. Координация этих двух входных сигналов, общий цикл вниз плюс назад (назад) или общий вверх плюс циклический вперед, приводит к изменению воздушной скорости при сохранении постоянной высоты. Педали выполняют одну и ту же функцию как в вертолете, так и в самолете, обеспечивая сбалансированный полет. Это делается путем нажатия педали в направлении, необходимом для центрирования шара в индикаторе поворота и крена .

Полет вперед на вертолете имеет ограничения, отличные от ограничений самолета. В самолетах с неподвижным крылом максимальная скорость полета ограничена нагрузкой, которую может выдержать планер; в вертолете оно ограничено частотой вращения несущего винта и эффективной скоростью полета над каждой лопастью. ^{[ 5 ]}

При неподвижном висении каждая лопасть несущего винта будет испытывать одинаковую воздушную скорость при постоянных оборотах. В условиях поступательного полета одна лопасть несущего винта будет двигаться навстречу набегающему воздушному потоку, а другая удаляется от него. На определенных скоростях полета это может создать опасную ситуацию, при которой удаляющаяся лопасть несущего винта останавливается, что приводит к нестабильности полета. ^{[ 5 ]}

Авторотация

Дифференциальный контроль шага

Для вертолетов с двумя горизонтально установленными несущими винтами изменение положения часто требует, чтобы два несущих винта вели себя инверсно в ответ на стандартные управляющие команды пилота. В машинах с соосным несущим винтом (например, Ка-50 ) оба винта установлены на одной мачте, один над другим, на концентрических приводных валах, вращающихся в противоположных направлениях (вращающихся в противоположных направлениях на общей оси) и изменяющих рысканье за счет увеличения угла поворота. коллективный шаг ротора, вращающегося в направлении желаемого поворота, при одновременном уменьшении общего шага другого ротора, создавая асимметрию крутящего момента.

В самолетах с тандемными винтами (например, в Boeing CH-47 Chinook ) также используются два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях (это называется встречным вращением , когда оно происходит из двух отдельных точек одного и того же планера), но несущие винты расположены на отдельных приводных валах через мачты. в носу и хвосте. В этой конфигурации используется дифференциальный общий шаг для изменения общего угла наклона самолета. Когда пилот перемещает циклический винт вперед, чтобы опустить нос и ускориться вперед, вертолет реагирует уменьшением общего шага на переднем винте и пропорциональным увеличением общего шага на заднем винте, поворачивая два конца вокруг общего центра масс . Изменения рыскания производятся с помощью дифференциального циклического шага: передний винт изменяет циклический шаг в желаемом направлении, а противоположный шаг применяется к заднему, снова поворачивая корабль вокруг своего центра.

И наоборот, синхроптер и винтокрылый аппарат с поперечным расположением ротора, вращающийся навстречу друг другу (например, наклонный винт Bell/Boeing V-22 ), имеют два больших узла горизонтального несущего винта, установленные рядом, и используют дифференциальный общий шаг для воздействия на крен самолета. Как и в случае с тандемными роторами, дифференциальный циклический шаг используется для управления движением вокруг оси отклонения от курса.

См. также

Ссылки

Примечания

^ Гейблхаус, Чарльз (1969) Вертолеты и автожиры: история вращающегося крыла и авиации вертикального взлета и посадки. Липпинкотт. стр.206
^ Полеты на вертолете на helis.com.
^ «Как вертолеты скользят по земле, когда глохнет двигатель» . Популярная механика . 14 ноября 2017 г.
^ Тандемные роторы. Архивировано 30 октября 2010 г. в Wayback Machine на www.helicopterpage.com.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ФАУ, Министерство транспорта США (2019). Справочник по полетам на вертолете . С. Глава 2 - Аэродинамика полета.
^ Франкович И.; Радос, Б.; Радос, Дж. (2005). «Проектирование и применение НОТАРА в качестве замены классическому рулевому винту» . Анналы ДАААМ и материалы : 131–133.
^ Обучение управлению вертолетами , см. раздел: Первый урок: Воздух.

Источники

Служба стандартов полетов. Справочник по полетам на винтокрылых машинах: Руководство ФАУ H-8083-21 . Вашингтон, округ Колумбия: Служба стандартов полетов, Федеральное управление гражданской авиации , Министерство транспорта США , 2001 г. ISBN 978-1-56027-404-9 .
AOPA: Ассоциация владельцев самолетов и пилотов http://www.aopa.org/News-and-Video/All-News/2013/November/27/rotocraft-rookie-helicopter-controls

[1] Гейблхаус, Чарльз (1969) Вертолеты и автожиры: история вращающегося крыла и авиации вертикального взлета и посадки. Липпинкотт. стр.206

[2] Полеты на вертолете на helis.com.

[3] «Как вертолеты скользят по земле, когда глохнет двигатель» . Популярная механика . 14 ноября 2017 г.

[4] Тандемные роторы. Архивировано 30 октября 2010 г. в Wayback Machine на www.helicopterpage.com.

[:0-5] Jump up to: ^а ^б ^с ФАУ, Министерство транспорта США (2019). Справочник по полетам на вертолете . С. Глава 2 - Аэродинамика полета.

[6] Франкович И.; Радос, Б.; Радос, Дж. (2005). «Проектирование и применение НОТАРА в качестве замены классическому рулевому винту» . Анналы ДАААМ и материалы : 131–133.

[7] Обучение управлению вертолетами , см. раздел: Первый урок: Воздух.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]