Динамическая устойчивость

Под динамической устойчивостью вертолета понимают его способность самостоятельно (без вмешательства летчика) после прекращения действия внешних возмущений возвращаться к исходному режиму полета при случайном его изменении.

Продольное движение вертолета (без автопилота) обычно представляет колебательный процесс, в котором можно выделить два вида колебаний:

- короткопериодические с периодом колебаний 0,5-3с;

- длиннопериодические с периодом 10-50с.

Первые связаны с вращением вертолета вокруг центра масс, вторые – с изменением траектории движения центра масс вследствие изменения величины и направления скорости полета. Вертолет является неустойчивым на висении летательным аппаратом. Однако, период продольных колебаний вертолета на висении достаточно велик (12-16с), а время удвоения амплитуды равно 3,5-4с, поэтому летчик успевает отклонением рычагов управления погасить возникающее движение.

По мере увеличения скорости полета неустойчивость продольного движения вертолета уменьшается, т.к. уменьшаются характеристики неустойчивости по углу атаки и увеличивается демпфирование.

Поведение вертолета в процессе бокового возмущенного движения определяется в конечном счете величиной и соотношением степеней его поперечной и путевой устойчивости, инерционными характеристиками.

На висении и малых скоростях полета (до 30-40^км/_ч) боковое движение всех одновинтовых вертолетов колебательно неустойчиво вследствие того, что на этих режимах взаимосвязь движений крена и рыскания еще не велика, а движение по крену неустойчиво.

На больших скоростях полета все вертолеты обладают устойчивостью бокового возмущенного колебательного движения, т.к. увеличивается путевая и поперечная устойчивость и демпфирование.

Движение вертолета Ми-8МТ после возмущения имеет явно выраженный колебательный характер по скорости, углам крена и тангажа с переменной по времени амплитудой этих параметров. Кроме того, наблюдается медленный апериодический уход вертолета с режима. То есть, вертолет Ми-8МТ не обладает динамической устойчивостью во всем диапазоне скоростей полета, в том числе и на висении. Вместе с тем, степень динамической неустойчивости вертолета вполне приемлема, о чем говорит достаточно большое время полета вертолета с освобожденным управлением в спокойной атмосфере при достижении изменения угла крена на 10⁰ как наиболее быстроменяющегося параметра (без автопилота) – две и более минуты. С включением автопилота характеристики возмущенного движения вертолета улучшаются и пилотирование вертолета значительно упрощается.

РЕЖИМЫ ПОЛЕТА ВЕРТОЛЕТА

ЗАПУСК, ВЫКЛЮЧЕНИЕ И ОПРОБЫВАНИЕ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Основное влияние на безопасность запуска двигателей на вертолете оказывает приземный ветер, особенно боковой.

Рис.4.1. Влияние направления ветра на очередность

запуска двигателей

С точки зрения создания благоприятных условий для запуска двигателя рекомендуется при ветре слева первым запускать правый двигатель, а при ветре справа – левый (рис.4.1.). В этом случае неблагоприятное влияние бокового ветра на запускаемый с наветренной стороны двигатель частично компенсируется уменьшением нагрузки, т.к. к моменту запуска наветренного двигателя свободная турбина и НВ уже приведены во вращение. Однако при большой скорости бокового ветра, превышающей 10-15^м/_с, уменьшение секундного расхода воздуха через компрессор в начальной стадии запуска может вызвать помпаж двигателя, особенно в условиях низких температур наружного воздуха. Наибольшую угрозу для помпажа двигателей вызывает ветер, направленный навстречу струе выходящих газов, т.к. он размывает газовую струю и частично забрасывает ее в воздухозаборники двигателей.

Поэтому для обеспечения надежного запуска и предотвращения помпажа двигателей необходимо соблюдать ограничения по допустимой скорости ветра. На первый взгляд кажется, что в случае необходимости оправданы некоторые нарушения этих ограничений, ибо срыв запуска двигателя, не сопровождаемый помпажом, сам по себе серьезной опасности не представляет. В действительности важно иметь ввиду, что установленные ограничения по допустимой скорости ветра при запуске и остановке двигателей обусловлены не только обеспечением надежности запуска самих двигателей, но главным образом предотвращением удара лопасти НВ по хвостовой балке.

Явление удара лопастей по хвостовой балке возможно при обдуве вертолета ветром сзади или справа только при минимальной частоте вращения НВ в самом начале раскрутки и в конце остановки и обусловлено следующими основными факторами (рис.4.2.).

Рис.4.2. Влияние направления ветра на возможность

удара лопастью по фюзеляжу вертолета

При ветре сзади – свесом и упругим прогибом лопасти от собственного веса, приводящим, к образованию отрицательных углов атаки концевых сечений, и, во-вторых, к воздействию на лопасть нормальной силы давления ветрового потока, вертикальная проекция которой направлена вниз. Т.е. ветровой поток сдувает конус вращения лопастей, но не по направлению ветра, а навстречу ему, т.к. при медленном вращении НВ конус направлен от вершины не вверх, а вниз.

При ветре справа – обратной обдувкой сечений с хвостика профиля. Т.к. угол атаки сечений лопасти положительный, это приводит к образованию отрицательной подъемной силы, вызывающей прогиб лопасти вниз. При промежуточных направлениях ветра – сзади справа – удар лопастей по хвостовой балке обусловлен совместным действием перечисленных факторов.

При ветре слева скорость ветрового потока складывается с окружной скоростью вращения НВ таким образом, что при прохождении лопасти над хвостовой балкой скорость обтекания ее максимальна. При ветре спереди ветровой поток набегает на лопасть снизу. Это вызывает образование положительных углов атаки сечений и силы давления ветрового потока на лопасть, вертикальная проекция которой направлена вверх.

Следовательно, в обоих случаях под действием ветра происходит образование дополнительной подъемной силы сечений лопасти, приподнимающей ее над хвостовой балкой выше того уровня, на котором лопасть проходит в безветрие. Отсюда не следует, однако, что раскрутка и остановка НВ при сильном ветре слева или спереди вообще совершенно безопасны. Ветер, дующий со скоростью более 20-25^м/_с, может настолько сильно пригнуть лопасть, что появится опасность удара по передней части фюзеляжа.

Следует иметь ввиду, что упругие деформации лопастей под действием ветра, приводящие к опасности удара по хвостовой балке, имеют ярко выраженный динамический, колебательный характер. С одной стороны, это обусловлено склонностью к упругим изгибным колебаниям самой лопасти, не растянутой, как в полете, центробежными силами; с другой стороны – неоднородной структурой, пульсациями самого ветрового потока, частоты которых могут оказаться близкими к частотам собственных упругих колебаний лопастей. Динамический прогиб лопасти под воздействием ветра, как правило, значительно больше статического, что усугубляет опасность рассматриваемого явления.

Физическая сущность и закономерности рассматриваемого явления сохраняются, естественно, и для остановки НВ после выключения двигателей. Но нужно иметь ввиду, что величина зазора между концами лопастей и хвостовой балкой при ветре справа уменьшается в случае применения торможения НВ при остановке. Это приводит к увеличению углов установки от закручивания лопасти инерционными силами и увеличению вертикальной проекции хорды лопасти. При ветре сзади для увеличения зазора между концом лопасти и хвостовой балкой целесообразно немного увеличить угол установки общего шага и отклонить РУ вправо, при ветре справа отклонения органов управления неэффективны.

НВ должен быть остановлен так, чтобы ни одна из лопастей не находилась над хвостовой балкой.

С ограничениями по скорости и направлению ветра при раскрутке и остановке НВ непосредственно связаны и минимальные безопасные интервалы между осями НВ при размещении вертолетов на стоянке, ибо при работе НВ создает мощный индуктивный поток воздуха, распространяющийся в горизонтальной плоскости.

Следует помнить, что самую большую опасность при раскрутке и остановке НВ представляет пролет над стоянкой на малой высоте другого вертолета. Индуктивный воздушный поток пролетающего вертолета прогибает книзу все лопасти НВ вертолета, стоящего на земле, что, естественно, создает наибольшую угрозу удара медленно вращающихся лопастей по хвостовой балке. Поэтому раскрутка и остановка НВ вблизи пролетающего другого вертолета запрещается.

РУЛЕНИЕ

Схема сил и моментов, действующих на вертолет на рулении показана на рисунке 4.3.

Рис.4.3. Схема сил и моментов, действующих на вертолет

на рулении

Руление является основным видом передвижения вертолета по аэродрому на небольшие расстояния, особенно вблизи летательных аппаратов и других препятствий. Кроме того, в энергетическом отношении руление гораздо выгоднее подлета, т.к. выполняется при небольшой мощности двигателей. Наконец, если взлет вертолета со стоянки невозможен из-за препятствий или ограничений по взлетной массе для данных метеорологических условий, вертолет выруливает к месту старта для взлета по-самолетному.

Существенной с точки зрения безопасности полетов особенностью руления на вертолете является опасность опрокидывания и возникновения земного резонанса, поэтому в руководстве по летной эксплуатации установлен ряд важных ограничений.

При страгивании вертолета с места на мягком грунте или плохо укатанном снеге недопустимо значительно отклонять РУ вперед, т.к. может завязнуть или даже сломаться передняя стойка, и раскачивать вертолет при помощи педалей, т.к. это может привести к недопустимому динамическому нагружению и последующему разрушению хвостовой балки или опрокидыванию вертолета.

Руление разрешается только по ровной и прочной поверхности при расстоянии от концов вращающихся лопастей до препятствий не менее радиуса НВ.

Для обеспечения безопасного устойчивого движения вертолета по земле необходимо выполнение следующих основных условий:

- тяга НВ должна быть небольшой, т.е. вертолет не должен рулить в неустойчивом «взвешенном» состоянии;

- частота вращения НВ должна иметь номинальное значение для заданного общего шага, т.е. недопустимо руление при левом положении рукоятки коррекции;

- скорость руления выбирается в зависимости от полетной массы вертолета, состояния грунта, видимости, направления и скорости ветра, наземной и воздушной обстановки и не должна превышать 20^км/_ч;

- тяга РВ должна быть уравновешена боковой силой НВ, а реактивный момент НВ при прямолинейном движении должен быть уравновешен путевым моментом РВ. Чтобы не допускать бокового юза вертолета и боковых давлений на пневматики колес, следует одновременно с увеличением общего шага НВ соразмерно отклонять вперед правую педаль;

- при рулении с боковым ветром, когда конус вращения и равнодействующая НВ заваливаются по ветру, а сам вертолет стремится накрениться также по ветру и развернуться носом против ветра, РУ необходимо отклонять против ветра, противоположную направлению ветра, а разворот вертолета парировать отклонением соответствующей педали (рис.4.4.);

- развороты на рулении должны выполняться плавным отклонением педалей с радиусом, тем большим, чем больше скорость руления, к тому же скорость руления при разворотах должна быть минимальной. Энергичные развороты с малым радиусом недопустимы, т.к. даже на обычном, а тем более на скользком или размокшем грунте возникает боковой юз вертолета за счет центробежной силы, действующей в сторону, обратной развороту;

Рис.4.4. Схема сил и моментов, действующих на вертолет

на рулении с боковым ветром

- при появлении юза необходимо прекратить руление, для чего рычаг «ШАГ-ГАЗ» переместить вниз до упора, плавно отклонить педаль в сторону юза и дождаться полной остановки вертолета, после чего возобновить руление с меньшей скоростью. Запрещается при движении вертолета юзом отклонять педаль в сторону, противоположную юзу;

- при минимальном значении общего шага НВ и излишнем отклонении РУ от себя возможны удары лопастей НВ по нижним упорам и усиление вибрации вертолета, что недопустимо. При появлении признаков «стучания» лопастей следует отклонить на себя РУ;

- для остановки вертолета на рулении следует заблаговременно уменьшить общий шаг НВ и мощность двигателей до минимальных, плавно и незначительно отклонить РУ на себя и воспользоваться тормозами колес. Энергичное взятие РУ на себя при минимальном общем шаге НВ для экстренной остановки вертолета может привести к удару лопастей НВ по хвостовой балке. Следует помнить, что при рулении по бетону или скользкому грунту тормоза колес малоэффективны;

- запрещается рулить:

§ по слишком вязкому и неровному грунту;

§ по глубокому и рыхлому снегу;

§ на большие расстояния.

- при внезапном увеличении крена (попадание одного колеса в яму, наезд на бугор, наклон взлетной площадки) и начавшемся опрокидывании вертолета, необходимо немедленно уменьшить общий шаг или в крайнем случае, наоборот, увеличить общий шаг и взлететь, если есть полная уверенность в безопасности взлета.

При рулении в условиях ветра по пыльной, песчаной или заснеженной площадке большое значение для безопасности приобретает обеспечение видимости, в связи, с чем следует рулить только против ветра. Скорость руления при этом подбирается такой, чтобы вихри пыли или снега оставались позади кабины экипажа. Если же увеличение скорости руления вплоть до максимально допустимой вертолет не выходит из пыльной или снежной зоны, следует, наоборот, уменьшить скорость руления вплоть до предельно малой и делать периодические остановки для оседания пыльного (снежного) облака и просмотра полосы руления. При рулении в условиях ухудшенной видимости на незнакомом аэродроме в целях безопасности рекомендуется выслать вперед в направлении руления бортового техника.

Если условия стоянки вертолетов настолько стеснены, что нет возможности выполнить ни руления, ни подлет, вертолет должен буксироваться к месту взлета.