Лопасть несущего винта
Лопасть - основная рабочая часть несущего винта, с помощью которой при вращении ротора вертолёта создаётся положительная или отрицательная тяга. Лопасть винта имеет профилированную часть, называемую пером, комель (цилиндрический участок комлевой части) и прикомлевую часть — переход от пера к комлю.
На рис. 3 показано распределение сил вдоль лопасти.
Из-за того, что большая часть подъёмной силы создаётся на быстро движущейся внешней части лопасти, эта сила действует так, как будто приложена к точке на расстоянии 80% длины лопасти от основного вала. Лопасть поднимается на угол конусности до тех пор, пока подъёмная сила не будет скомпенсирована перпендикулярной к лопасти компонентой центробежной силы.
Центр вращения[править]
Центробежная сила действует не в центре тяжести, а в точке, называемой центром вращения (ЦВ). Центр вращения отличается от центра тяжести: при воздействии центробежной силы, масса у оси вращения движется медленнее и вносит меньший вклад, чем масса ближе к концу лопасти.
У лопасти, однородной по всей длине, ЦВ находится в 58% от длины лопасти. Добавление груза на конец лопасти выдвигает ЦВ еще дальше. Добавление 25-граммового груза к 70-гаммовой лопасти приведет к смещению ЦВ до точки 70% от длины лопасти. Центр тяжести же будет находиться примерно на 62%.
Распределение массы[править]
Распределение массы внутри лопасти важно, потому что сочетание заднего ЦВ и большой гибкости на кручение делает лопасть подверженной флаттеру. Однако слишком передний ЦВ может вызвать большую нагрузку на сервомашинку коллективного шага. Это особенно проявляется при небольшом расстоянии между вертикальными шарнирами, которое вызывает большой угол запаздывания при подъёме или маневрах с большими перегрузками.
Лопасти из однородного материала[править]
ЦТ лопасти из материала однородной плотности будет располагаться на хорде примерно в 35% от передней кромки. Если лопасть однородна по всей длине (т.е. без грузов), то положение ЦВ на хорде совпадает с ЦТ. Профиль лопасти около передней кромки создает большую подъёмную силу, чем около задней и вследствие этого центр подъемной силы (ЦПС) находится всего на 25-м проценте хорды от передней кромки.
На рис. 4 показан вид с конца лопасти. ЦВ лежит позади центра подъёмной силы. Подъёмная сила, действующая в своей условной точке центра, уравновешивается направленной вниз составляющей центробежной силы, действующей в точке центра вращения. Расстояние между точкой приложения подъемной силы и точкой ЦВ вызывает скручивающее усилие или пару сил, которые стремятся выгнуть переднюю кромку вверх и тем самым увеличить угол атаки. Если лопасть подвержена скручиванию, то увеличение подъёмной силы будет еще более резко выражено из-за увеличения коэффициента подъёмной силы вследствие скручивания лопасти вверх. Такое взаимодействие между подъёмной силой и скручиванием может вызвать колебания, называемые флаттером: при этом конец лопасти входит в сильные крутящие колебания, которые могут сделать вертолёт неуправляемым или разрушить структуру лопасти.
Лопасти с грузом[править]
Для предотвращения флаттера ЦВ должен быть перенесён в точку центра подъёмной силы или перед ней. Для этого деревянные лопасти делаются с использованием твёрдой древесины в передней кромке и бальзы – в задней. Груз, добавленный к передней кромке, переносит ЦВ ещё больше вперёд. Груз, установленный у конца лопасти, оказывает большее влияние, чем установленный у комля, т.о. грузы в передней кромке на концах лопастей могут значительно вынести ЦВ вперёд на хорде относительно ЦТ.
На рис. 5 показано как при добавлении груза в переднюю кромку ЦВ смещается вперёд перед центром подъёмной силы. Теперь крутящее усилие направлено в обратную сторону и стремится уменьшить угол атаки. Т.о. увеличение подъёмной силы будет сопровождаться скручиванием лопасти вниз, уменьшая коэффициент подъёмной силы. Это смягчает изменения подъёмной силы и предотвращает флаттер. На практике же флаттер прекращается и при расположении ЦВ недалеко позади от ЦПС. Чем более устойчива лопасть к кручению, тем дальше они могут быть размещены.
Нагрузка на систему управления[править]
Здесь рассмотрены моменты, которые лопасти прилагают к шарнирам. Эти моменты должны быть скомпенсированы системой управления и, в конце концов, сервомашинками, особенно – сервомашинкой коллективного шага. Поэтому конструкция головки ротора оказывает огромное воздействие на поведение конкретного набора лопастей.
Лопасть без груза с крепёжным отверстием на линии ЦВ[править]
На рис 6. видно, что если отверстие для болта (которое работает как вертикальный шарнир) находится на одной линии с центром вращения, расположенным примерно на 35-м проценте хорды, то центр подъёмной силы будет лежать перед осью осевого шарнира.
Т.о. подъёмная сила вызывает момент, стремящийся увеличить угол атаки. При наличии люфтов в тягах коллективного шага это может вызвать довольно резкую реакцию на изменение шага.
Лопасть с грузом у передней кромки[править]
На рис. 7 добавлением груза в переднюю кромку ЦВ смещён вперёд и к концу лопасти.
При этом центр подъёмной силы находится позади оси осевого шарнира и вызывает момент, стремящийся уменьшить угол атаки. Это сглаживает эффект от люфта тяг и даёт более мягкую реакцию на управление коллективным шагом.
Лопасть без груза с крепёжным отверстием у задней кромки[править]
На рис. 8 видно, что ЦВ обычно лежит ближе к комлю, чем ЦПС. Перемещение крепёжного отверстия ближе к задней кромке отклоняет лопасть назад, а также перемещает назад ЦПС.
Сравните рис. 8 с рис. 7, где добавление груза смещает ЦВ к концу лопасти в направлении центра подъемной силы. Это делает перенос крепежного отверстия менее эффективным, чем на лопасти без груза.
Угол запаздывания[править]
Угол запаздывания вызывается моментом, передаваемым головкой ротора на лопасти через вертикальный шарнир. Из рис. 9 видно, что угол запаздывания перемещает ЦПС назад относительно оси осевого шарнира и т.о. производит момент, стремящийся наклонить переднюю кромку вниз вокруг осевого шарнира.
Угол запаздывания изменяется от нуля (или слегка отрицательного) во время авторотации до своего максимального значения при большой нагрузке (высоких перегрузках), особенно если обороты ротора (и т.о. центробежная сила) малы. Здесь начинает оказывать влияние конструкция ротора, потому что угол запаздывания зависит от расстояния между вертикальными шарнирами. Чем больше это расстояние, тем меньше угол запаздывания (см. рис. 10).
