Opengl на python примеры. Материалы для изучения. Что есть OpenGL

Этот текст почти целиком написан Тимофеем. Я его только чуть подредактировал и запостил.

В авиации общего назначения стран Запада наиболее популярным вертолётом является Bell-206; в областях военного применения не менее массово присутствуют различные варианты UH-1 (Bell-204/205/212). Эти аппараты отличаются довольно высоко расположенным двухлопастным несущим винтом на длинной колонке.
Итак, почему у западных легких вертолетов такая высокая колонка?

Чаще всего на этот вопрос можно услышать ответ, что это сделано для безопасности людей, находящихся рядом с вертолетом. Подняв несущий винт выше, конструкторы сделали так, что человек может стоять во весь рост под вращающимся винтом, не опасаясь быть задетым даже в случае отклонения винта от конструктивной плоскости вращения (например, согласно отклонению ручки управления или под действием внешнего потока - ветра).

Но это будет не полный ответ на вопрос. Вторая часть ответа более сложна и кроется в улучшении управляемости вертолетов, имеющих несущие винты с совмещенными горизонтальными шарнирами. Для представления особенности таких несущих винтов удобнее всего будет рассмотреть работу обычного несущего винта (НВ) с разнесенными горизонтальными шарнирами (ГШ).
Обычные многолопастные НВ имеют горизонтальные шарниры, которые отстоят на некотором расстоянии от оси вращения винта – так называемый разнос ГШ. Это вынужденное конструктивное решение имеет побочный эффект, который выражается в положительном влиянии на управляемость вертолета.
Рассмотрим две противоположные лопасти несущего винта на режиме висения вертолета.

Как видно, лопасти отклонились вверх на некоторый угол, называемый углом конусности несущего винта. Это угол отклонения одинаков по обе стороны винта (у обеих лопастей), т.к. на них действуют одинаковые силы.
А теперь представим, что пилот отклонил ручку управления, желая наклонить вертолет и начать горизонтальный полет. Наша картина с положением лопастей изменится: через систему управления и автомат перекоса команда пилота поступит на лопасти, увеличив углы установки на одной стороне НВ и уменьшив на другой. В соответствии с этим, угол взмаха лопасти на одной стороне винта станет больше, а на другой меньше, из-за разницы подъемных сил.

Эта разница и наклоняет вертолет в нужную сторону, как того желал пилот. Но… не только она.

Если на режиме висения вертолета положение лопастей было симметричным и результирующие силы от противоположных лопастей сходились на валу в одной точке, то при их отклонении результирующие силы "расходятся вдоль оси" – пересекают вал винта в разных местах (см. Рисунок 2). А это создает дополнительный момент, наклоняющий вертолет в нужную сторону. Т.е. вертолет начинает лучше реагировать на управление.

Наглядно механизм действия разноса горизонтальных шарниров и перемещения результирующих сил при отклонении лопастей можно продемонстрировать на простом примере. Для этого нам понадобится карандаш и нитки. Возьмем две нитки и привяжем каждую одним концом к карандашу. Карандаш у нас будет изображать вал несущего винта, а нитками мы сымитируем действие результирующих сил от двух лопастей. Положим карандаш на стол так, чтобы нитки были по разные стороны от него: слева и справа. Совместим узелки, которыми нитки привязаны к карандашу, вместе как можно плотнее – это будет режим висения вертолета, когда результирующие силы лопастей встречаются на валу в одной точке. Потащим за ниточки в разные стороны. Как видим, карандаш никуда не поворачивается (если мы тянем с одинаковой силой и узелки плотно совпадают). Так происходит на вертолете: силы уравновешивают друг-друга. Теперь немного, на один-два миллиметра, раздвинем узелки на нашем карандаше. Потянем ниточки и сразу же получим то, что карандаш поворачивается вслед за нитками. Так и несовпадающие результирующие силы от лопастей поворачивают вал, а за ним и вертолет.

Как можно легко убедиться, чем больше мы разносим узелки, тем лучше поворачивается карандаш. Так же происходит и на вертолете: чем на большее расстояние расходятся результирующие силы от лопастей, тем лучше управляется вертолет, т.е. лучше реагирует на команды пилота.

В реальности величина разноса горизонтальных шарниров, которая и определяет насколько разойдутся силы, составляет всего несколько процентов от радиуса несущего винта. Но и этого оказывается достаточно, т.к. силы от лопастей очень большие – тысячи и десятки тысяч кгс.

Но вернемся к несущим винтам с совмещенными горизонтальными шарнирами, которые имеют большинство легких вертолетов. В их случае ГШ объединены в один шарнир, находящийся на оси вала винта. Таким образом у них отсутствует какой-либо разнос ГШ и результирующие силы лопастей всегда сходятся в одной точке на валу – добавки к управлению, которую мы рассмотрели выше, нет. Чтобы компенсировать ее отсутствие, конструкторы увеличили высоту колонки несущего винта. Т.е. увеличили расстояние от втулки НВ до центра масс вертолета, или плечо действия аэродинамических сил.

Вертолет стал выше, но у него улучшилась управляемость: при сохранении силы большее плечо ее действия дает больший момент.

Условия работы лопасти несущего винта вертолета во многом отличаются от условий работы крыла самолета. Основная особенность в том, что действующие на нее нагрузки являются переменными во времени. Поэтому при выборе материала элементов лопасти в качестве главных выдвигаются следующие требования:

Усталостная прочность: трещино стойкость (сопротивление распространению усталостной трещины) и слабая чувствительность к концентраторам напряжений;

Неизменность механических свойств материала элементов и их соединений от заданного времени эксплуатации, температуры и атмосферных условий окружающей среды;

Технологические требования: возможности производства по обеспечению заданных форм сечения элементов конструкции; повышение ресурса элементов конструкции методами упрочнения; контроль за качеством соединений и заданными геометрическими

размерами при изготовлении элементов конструкции в процессе сборки лопасти; ремонтопригодность конструкции лопасти в процессе ее эксплуатации.
Кроме перечисленного, необходимо учитывать стоимость материала и технологического процесса изготовления лопасти и стоимость ее эксплуатации.

С учетом вышеизложенных требований выбирают тот материал, а который имеет максимальные удельную прочность - и удельный Е модуль упругости - р.

При формировании лонжерона лопасти из гибридных композиционных материалов стремятся к максимальной их совместимости с материалом матрицы, например, по величине динамического удлинения, степени адгезии, по коэффициенту линейного и объемного расширения, влагоёмкости, времени старения, чувствительности к ударным нагрузкам.

Чувствительность к ударным нагрузкам определяется величиной ударной вязкости. Для волокнистых композитов ударная вязкость характеризуется отношением. Одним из способов повышения ударной вязкости композитов является введение в их состав более прочных и менее жестких волокон, например стеклянных или органических - в углепластики.

В процессе развития вертолетостроения основной силовой элемента лопасти - лонжерон - выполнялся из дерева, легированных сталей, алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, титановых сплавов. В настоящее время широко практикуется изготовление лонжерона из композиционных материалов.

Агрегаты каркаса - обшивка, нервюры, хвостовой стрингер, ранее изготовляемые из фанеры, полотна, алюминиевых сплавов, в современных лопастях изготавливаются также из КМ.
Дерево нашло применение в практике Ухтомского вертолетного завода им. Ы.И. Камова в период его становления. Определяющими в выборе этого материала являлись следующие соображения: древесина малочувствительна к концентраторам напряжений, трещино стойкая; она не требует сложного технологического оборудования при изготовлении лонжерона и каркаса лопасти; затраты на изготовление лопасти не велики.

Центральная часть лонжерона выполнялась из дельта- древесины (склеенные тонкие листы древесины), носовая часть профиля состояла из набора склеенных сосновых реек. Хвостовая часть представляла собой каркас из фанерной обшивки, приклеенной к пенопласту. Поверхность лопасти покрывалась полотном и влагостойким лаком.
В процессе эксплуатации выявились существенные недостатки деревянной лопасти:

Несмотря на влагостойкое покрытие поверхности лопасти элементы конструкции насыщались влагой, что приводило к изменению центра тяжести сечения (смещался назад) и уменьшению критической скорости флаттера лопасти;

Пропитка антисептиками не устраняла в процессе эксплуатации гнилостного разрушения древесины, при том что ее механические свойства ухудшались.

В практике Московского вертолетного завода им. М.Л. Миля в лопастях НВ применялась смешанная конструкция - лонжерон выполнялся из стальной трубы, а в элементах каркаса использовалось дерево и полотно.

Требования прочности, жесткости и аэродинамики с учетом технологических возможностей привели к необходимости изменения форм сечения лонжерона по радиусу с цилиндрической на эллиптическую. Металлургическая промышленность не располагала оборудованием для формирования данного лонжерона из одной заготовки. Поэтому конструкторы вынуждены были ввести телескопические стыки, соединенные стальными заклепками, с использованием упрочняющей технологии (дорнирование отверстий), плавные переходы жесткости в месте стыка, продольную шлифовку внутренней и внешней поверхностей каждой части лонжерона.

Учитывая характер аэродинамических нагрузок по хорде профиля, переднюю часть профиля лопасти выполняли из фанеры, а заднюю - из полотна в комлевой части лопасти и фанерной обшивки в средней и концевой ее части.

Аэродинамические нагрузки и центробежная сила, действующая на каркас, через нервюры передавались на лонжерон. Передача сил и моментов на лонжерон осуществлялась через фланцы, приклепанные к лонжерону и стенке нервюры.

В процессе эксплуатации выявился ряд недостатков принятой конструктивно-силовой схемы лопасти. Наличие стыков и заклепочных соединений существенно усложнило процесс достижения необходимого ресурса лопасти. Использование в хвостовой части без моментной обшивки (полотна) приводило к тому, что под действием внешних аэродинамических сил и центробежной силы воздуха, находящегося внутри каркаса, существенно искажался профиль лопасти, что ухудшало его аэродинамические характеристики.

Введение дренажного отверстия на нижней поверхности в конце лопасти привело к местным потерям на перетекание воздуха внутри каркаса под действием центробежных сил. Устранение этого недостатка за счет отказа от полотна и переход па фанерную обшивку по всей поверхности лопасти существенно увеличило массу лопасти и сдвигало центр масс лопасти назад. В результате совместной деятельности конструкторов, технологов и металлургов по устранению отмеченных недостатков был создан лонжерон заданного переменного сечения без стыков, а хвостовую часть лопасти стали выполнять из дюралюминевой обшивки, подкрепленной сотовым блоком, не изменяющей форму под действием аэродинамических нагрузок.

Для трубчатого лонжерона применяется обычно труба из высоколегированной стали типа ЗОХГСА или 40ХНМА, закаленной и отпущенной на прочность (с^ = 1100-1300 МПа). После горячей и холодной прокатки, формообразования и закалки наружная и внутренняя поверхности трубы полируются. На внешней и внутренней поверхностях лонжерона создается наклеп виброударным способом, повышающий предел выносливости до а ю = 280-300 МПа mi» при постоянной части нагружения ат= 200-250 МПа.

В конструкции лопасти, основанной на стальной трубе, лонжерон обычно защищен каркасом и не может быть механически поврежден в эксплуатации.

Использование прессованного профиля из дюралюминиевого материала позволило формировать профиль лонжерона с наиболее целесообразным сечением (2.3.1). Применение замкнутого профиля, полученного методом прессования (экструзия), ограничил диапазон использования существующих дюралюминиевых сплавов. В процессе прессования происходит разделение материала на две части, поэтому в формирующем профиль инструменте (фильере) эти две части должны соединяться и свариваться давлением. Чтобы структура материала в местах сварки не ухудшалась, необходимо применять материал с высокой коррозионной стойкостью, Усталостная прочность дюралюминиевого лонжерона может снизиться из- за дефектов, возникающих в процессе прессования профиля и механической обработки.лонжерона. Поэтому необходимо не только наружную, но и внутреннюю поверхности лонжерона упрочнять виброударным способом. Предел выносливости может быть доведен до а = 55-60 МПа при о т= 60 МПа. Для исключения минимальной возможности коррозионного повреждения прессованных лонжеронов в процессе производства и в условиях эксплуатации необходимо применять гальванические покрытия (например, анодирование) после промежуточных операций его обработки.

Процесс прессования не позволяет изменять форму сечения по заданному закону, поэтому требуемую высоту профиля по длине лопасти можно обеспечить только за счет фрезерования внешней поверхности. В результате конструктор имеет возможность разрабатывать конструктивно-силовую схему лопасти только прямоугольной формы в плане (сужение r| = 1).

Контакт поверхности лонжерона с потоком воздуха привел к необходимости защиты этой поверхности от эрозионного повреждения.

Была сделана попытка формирования лонжерона лопасти из многослойного тонкого листа нержавеющей стали, соединенного в монолит при помощи склейки. Предполагалось создание конструкции, обладающей большой стойкостью к распространению усталостной трещины. Органическим недостатком данной конструкции была невозможность обеспечения качественной склейки и устранения выявленных дефектов клеевых поверхностей.

Лопасти с лонжероном замкнутой формы позволяют использовать технические средства постоянного контроля усталостных разрушений материала лонжерона. Система сигнализации повреждения цельнометаллических лонжеронов состоит из сигнализатора давления воздуха и заглушек на концах лонжерона (2.3.2). Внутренняя полость лонжерона заполняется воздухом под давлением, превышающим давление начала срабатывания сигнализатора.

В случае появления в лонжероне трещины давление воздуха в нем падает. Информация о разгерметизации полости лонжерона поступает от сигнализатора давления в виде выдвижения красного колпачка сильфона, установленного в комлевой части каждой лопасти.

Индикация давления воздуха в лонжеронах в кабину экипажа не выводится, т.к. процесс роста трещины до разрушения лонжерона в несколько раз превышает время максимально возможной длительности полета вертолета. Контроль за состоянием лопасти осуществляется при меж полетном осмотре по положению сигнализатора.

Давление воздуха в лонжероне создается с учетом температуры окружающего воздуха и с учетом давления начала срабатывания сигнализатора.

В лопастях вертолета Ми-26 стальные трубчатые лонжероны по наружной поверхности облицованы стеклолентой, за счет чего при возникновении трещины в лонжероне исключается возможность обнаружения повреждения лонжерона с помощью пневматической системы сигнализации. Для обеспечения надежного функционирования системы сигнализации повреждения лонжерона по всей длине его внешней поверхности укладываются двойные фторопластовые шнуры (2.3.3) и после обмотки лентами из стеклоткани производится полимеризация в пресс-форме. Фторопластовые шнуры вытягиваются, образуя воздушные каналы диаметром

2 мм, открытые со стороны внешней поверхности трубы лонжерона. Появление усталостной трещины в зоне воздушных каналов приводит к падению давления в полости лонжерона и срабатыванию сигнализатора. Каналы выполняются двойными по технологическим соображениям - всегда имеется вероятность обрыва фторопластового шнура при его вытягивании из полости длиной 14 м.

Анизотропность композиционных материалов открыла широкие возможности применения их в лопастях НВ. Применение КМ позволяет направленно формировать жесткостные характеристики лопасти (изгибные и крутильные) за счет соответствующей ориентации армирующих волокон композита с учетом сложного характера ее нагружения.

Вертолетостроение является наиболее передовой отраслью авиационной техники, здесь стали смело применять КМ в таком ответственном и сложно нагружаемом агрегате, как лопасть НВ.

Эффективность применения КМ в силовых элементах лопастей определяется рядом преимуществ этих материалов по сравнению с металлами. В частности, аэродинамические и аэроупругие параметры лопастей композитов могут выбираться без учета ограничений, вызываемых технологическими процессами получения катаных, экструдированных (прессованных) или механически обработанных металлических конструктивных элементов.

Композитным конструкциям можно придать сложные аэродинамические формы, а регулируемая анизотропия материала позволяет создавать требуемую жесткость в пределах заданных аэродинамических и аэроупругих параметров. В результате достигается большая аэродинамическая эффективность винтов, определяемая отношением подъемной силы к аэродинамическому сопротивлению.

С помощью КМ, обладающих более высокой удельной прочностью, изготавливают лопасти меньшей массы, чем металлические. Снижение массы лопастей, в свою очередь, оказывает влияние па центробежные силы, инерцию ротора, частотные и другие характеристики.

Регулируемая в широких пределах анизотропия КМ позволяет получать необходимые конструктивные и демпфирующие параметры лопасти.

Частота собственных колебаний лопасти может быть изменена не только перераспределением массы, но и выбором армирующих волокон, имеющих низкий или высокий модуль упругости, включая их гибридизацию (смешивание), степени армирования и ориентации армирующих волокон относительно оси лопасти. Крутильная жесткость лопасти может быть существенно увеличена за счет добавления слоев с ориентацией ± 45° относительно размаха лопасти при незначительном изменении частот продольных колебаний.

Одним из возможных критериев оптимальности панели из КМ, обеспечивающим минимум ее массы, является условие совпадения траектории армирования с траекторией максимального главного напряжения. Как правило, КМ представляет собой совокупность однонаправленных или тканевых слоев с различными толщинами и углами ориентации волокон. Свойства такого материала определяются свойствами отдельных слоев и структурой.

Эффективная реализация достоинств композитов в конструкциях лопастей требует решения комплекса задач, связанных с выбором взаимно согласованных исходных компонентов (волокон и матрицы), определением рациональной структуры материала, соответствующей характеру внешних нагрузок и других воздействий с учетом специфических свойств материала и технологических ограничений при разработке элементов лопасти.

Механическое поведение КМ определяется высокой прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе «матрица - волокно».

Наибольшее применение получили стеклопластиковые КМ на эпоксидной матрице. Это объясняется в первую очередь низкой стоимостью стеклопластика. Дальнейшее развитие конструкции лопасти из КМ связано с использованием гибридных композиций

Сочетания углеволокна с органоволокном и других подобных вариантов.

Углепластик, обладая высокой прочностью, чувствителен к ударным нагрузкам. Введение менее жесткого материала и защита поверхности лонжерона от каких-либо повреждений предоставляет возможности широкого применения подобных композиций.

Лонжерон с замкнутым коробчатым сечением £)-образной формы может быть изготовлен методом намотки однонаправленной лентой на оправке. Этот метод изготовления лонжеронов лопасти широко применяется при крупном серийном производстве, где целесообразно максимально автоматизировать процесс изготовления. В практике ОКБ Н.И. Камова выбрана технология изготовления лонжерона частями методом выкладки из различных тканей или лент однонаправленного материала на оправках.

Листы материала лонжерона собирают в пакеты и подвергают предварительной опрессовке в автоклаве при невысокой температуре. Листы при этом слипаются, пакеты приобретают необходимые для дальнейшей сборки форму и жесткость, а полимеризации связующего практически не происходит. После опрессовки пакеты представляют собой профиль открытого контура.

Затем пакеты собираются совместно с центровочными грузами, нагревательным элементом и комлевыми пластинами в один блок, внутри которого располагается технологическая резиновая пресс- камера. Блок пакетов с пресс- камерой помещают в специальную пресс-форму, внутренний контур которой соответствует внешнему контуру носовой части лопасти.

В пресс-камеру подается сжатый азот, а пресс-форму нагревают. При этом лонжерон приобретает необходимую форму, связующее полимеризуется и все элементы лонжерона прочно склеиваются между собой. По окончании процесса прессования лонжерон извлекают из пресс-формы, удаляют из него пресс-камеру и обрезают припуски. Такой способ производства позволяет получить лонжерон замкнутого контура из различных армирующих наполнителей на разных связующих, в любом сочетании с неограниченными возможностями по их размещению в конструкции. К сборочному приспособлению для изготовления лонжерона заданного сечения предъявляется ряд требований при назначении режимов давления, нагрева, охлаждения и выдержки при отвердении. Эти требования направлены для исключения остаточных деформаций и коробления за счет температурных напряжений и неравномерности распределения массы материала и толщин в процессе формирования лонжерона.

Тип исходных КМ для лонжеронов выбирается в зависимости от летно-технических данных вертолета. Для малонагруженных лопастей вертолетов используется дешевая стеклоткань сатинового переплетения. Для высоконагруженных лопастей используются гибридные КМ на основе высокопрочной стеклоткани, углеродной ленты и технической ткани на эпоксидном связующем.

Применение гибридных КМ позволяет основной силовой элемент - лонжерон - изготавливать с практически любым заданным распределением масс и жесткостей по длине лопасти.

В силу требований, предъявляемых к лопастям, и учитывая действующие нагрузки, хвостовые секции лопасти должны отвечать следующим требованиям: прочность конструкции, минимальная масса, жесткость конструкции, достаточный ресурс (не менее ресурса лонжерона лопастей), гладкость аэродинамической поверхности, возможность изготовления в серийном производстве, возможность ремонта в полевых условиях и др.

В эксплуатации хорошо зарекомендовали себя хвостовые секции лопасти трёхслойной сотовой конструкции. Такая секция имеет обшивку, торцевые нервюры и стрингеры из технической ткани на основе органических волокон и заполнитель из сот. Применение в конструкции хвостовых секций самого легкого КМ дает возможность снизить массу секций по сравнению со стеклопластиком и увеличить ресурс.

Большой опыт, накопленный при эксплуатации вертолетов «Ка», показал, что лопасти из КМ имеют наилучшие эксплуатационные качества. Важнейшие из них состоят в следующем:

Большой запас прочности при фактически неограниченном по условиям выносливости ресурсе. Практический срок службы лопастей из КМ определяется степенью их естественного износа, зависящего от условий эксплуатации;

Повышение срока службы не только лопастей несущего винта, но и всего вертолета за счет снижения статических и динамических нагрузок в несущей системе, благоприятных частотных характеристик и уменьшения уровня вибраций вертолета. Это обеспечивается технологическим процессом, который позволяет изготавливать лонжерон с переменными по длине формой сечения и толщиной стенки, а также применять совместно разные типы армирующего материала с разной ориентацией. Эти важнейшие качества дают существенные преимущества не только перед металлическими лопастями, но и перед другими конструкциями лопастей из КМ;

Высокая степень ремонтопригодности. Благодаря ценным свойствам КМ - высокой стойкости к концентраторам напряжений и низкой скорости разрушения материала - достигается простота и доступность ремонта даже крупных повреждений лопасти в полевых условиях;

Высокая стойкость лопастей практически ко всем видам агрессивных веществ, топливам, ядохимикатам, маслам и пр.;

Стабильность летно-технических характеристик лопасти в процессе длительной эксплуатации в любых климатических условиях. Длительный опыт эксплуатации вертолетов с лопастями из КМ показал, что изменения механических свойств материала настолько незначительны, что они не влияют ни на летно-технические характеристики, ни на срок службы лопастей.

На характеристики КМ в процессе эксплуатации оказывает влияние влажность.

Важным элементом конструкции модели вертолета являются лопасти несущего винта. Их весовые и аэродинамические характеристики определяют летные качества модели. В настоящее время фирмы предлагают большой ассортимент лопастей несущего винта, оптимизированных для определенного типа моделей и различных видов полета (высшего пилотажа, авторотации, перевернутого и т.п.). Фирменные лопасти обладают единственным недостатком - большой ценой для моделистов из стран СНГ (на один комплект лопастей может потребоваться среднемесячная зарплата). Как показывает практика, моделисты, особенно начинающие, могут в летный сезон вывести из строя до десятка пар лопастей. Даже опытные моделисты не застрахованы от поломки лопастей. При любой ошибке в пилотировании или при отказе материальной части модели в первую очередь "страдают" лопасти несущего винта. Поэтому естественно желание многих моделистов самостоятельно освоить технологию изготовления лопастей несущего винта модели вертолета.

На первых радиоуправляемых моделях вертолетов применялись лопасти, изготовленные полностью из дерева. Сегодня такие лопасти применяются, как правило, на тренировочных моделях. Основным материалом фирменных лопастей в настоящее время является стекло- и углепластик. Лопасти из такого материала самостоятельно в домашних условиях изготовить довольно проблематично. Для обеспечения необходимой центровки эти лопасти загружаются дополнительным балластом. При неправильном расположении этот груз, под воздействием центробежной силы (в лопасти несущего винта эта сила достигает несколько сотен килограмм), может вылететь и вызвать тяжелые последствия для моделиста и окружающих. Поэтому самостоятельно лучше изготавливать лопасти из дерева, при балансировке которых практически не нужно использовать балласт. Кроме того, при разрушении деревянные лопасти хорошо гасят энергию удара, предохраняя от поломки элементы головки ротора и привода модели. По форме профиля лопасти бывают симметричные и плосковыпуклые. Симметричные профили применяют для лопастей спортивных моделей, выполняющих высший пилотаж. Плосковыпуклые профили применяют на лопастях "хоббийных" моделей. Следует отметить, что в домашних условиях проще изготовить лопасти с плосковыпуклым профилем, постоянным по всей длине. Как показывает практика, для таких лопастей хорошо подходит профиль Clark-Y.

Геометрические размеры лопастей определяются специальным аэродинамическим расчетом. Однако методика расчета довольна сложна и выходит за рамки настоящей статьи. Для практики целесообразно пользоваться данными, полученными, например, при измерениях фирменных лопастей. Как правило, для моделей 30 класса применяют лопасти длиной 450-500 мм, шириной 49-50мм. Для 40 класса - 520-550 мм, шириной - 49-50 мм. Для 60 класса- 620-680 мм, шириной - 55-61 мм. Например, для вертолета Хеликс, упоминавшемся в ранних статьях, при весе модели около 4,3 кГ с двигателем 10 см 3 , при диаметре несущего винта, равном 1400 мм, лопасти имеют длину 625 мм и ширину 55 мм.

Кроме геометрических размеров важное значение имеет правильная поперечная и продольная балансировки лопастей. При несоблюдении условий балансировки, как правило, возникает сильная вибрация всего вертолета, разрушение тяг и рулевых машинок управления шагом, даже флаттер и разрушение лопастей. Для избежания флаттера и больших динамических нагрузок на органы управления точка крепления лопасти к головке ротора должна находиться на таком же расстоянии от передней кромки, как и центр тяжести лопасти. Кроме того, центр тяжести лопасти должен находиться ближе к передней кромке, чем фокус профиля (центр приложения подъемной силы). Для выполнения последнего условия в носик стекло- и углепластиковых лопастей несущего винта загружают балласт. Для деревянных же лопастей с этой целью переднюю часть изготавливают из твердой и тяжелой древесины (бук, дуб), а заднюю - из бальзы средней плотности или из легкой липы и даже твердого пенопласта. Для повышения прочности и избежания коробления переднюю кромку лопасти делают не из цельного куска бука, а из склеенных вдоль волокна отдельных брусков, ориентированных в разные стороны. Дерево должно быть хорошо высушенным и не иметь сучков и других дефектов.

Для примера рассмотрим технологию изготовления деревянных лопастей (рис.1) несущего винта модели вертолета Хеликс (журнал "Моделист - конструктор" №4 за 1984 год), которая успешно применялась автором и его коллегами на протяжении последних шести лет.

"...В основном из-за упрощения обработки лопасти имеют на всей своей длине постоянный профиль Clark-Y, геометрическая крутка отсутствует - установочный угол одинаков для всех сечений. Передняя половина каждой пластины буковая, задняя из бальзы средней плотности. Так как начинающему "вертолетчику" понадобится не один комплект лопастей, лучше изготовить сразу несколько пар, да и из большого количества заготовок проще выбрать пары одинаковой массы.

Единая заготовка склеивается из бальзовой пластины (толщина 30мм, длина 650 мм, ширина - максимально доступная) и трех буковых таких же размеров, но толщиной 8 мм, на эпоксидной смоле. На ленточной или циркулярной пиле заготовка разрезается на бруски толщиной 10 мм, затем обрабатывается по профилю лопасти. Эту операцию лучше выполнить специальной фигурной фрезой после фугования нижней плоскости. Ручная же обработка верней поверхности по шаблонам трудоемка, длительна и менее точна, чем механическая. Да и возможный разброс деталей по массе при ручном способе больше. После завершения работ заготовки несколько раз покрывают эмалитом, шпаклюются нитролаком с замешанной в нем детской присыпкой. Корневая часть каждой лопасти обтягивается тонкой стеклотканью на эпоксидной смоле, а на всю поверхность накладывается длинноволокнистая бумага на эмалите. Поочередным вышкуриванием и лакировкой добиваются получения несильного ровного блеска, затем следует основательная сушка.... После этого приступают к статической балансировке и окончательной обработке лопастей.

Простейшее приспособление для фугования лопастей можно изготовить на базе деревообрабатывающего станка "Умелые руки" (рис.2).

Для этого изготавливают из листа дюральки (2-3 мм) подвижный столик (выделен черным цветом на рисунке), один конец которого крепится к станку с помощью кусочков рояльных навесов. С другой стороны столик упирается в винт, поворачивая который, мы можем менять зазор между столиком и фрезой. В качестве фрезы можно использовать деревянную заготовку, обработанную на токарном станке по шаблону профиля, на поверхность которой наклеивают под углом 45 0 к торцу три-четыре полоски крупнозернистой наждачной бумаги. Как показал опыт, лучше всего наждачную бумагу приклеивать обычным канцелярским клеем, при фиксации концов на торце фрезы небольшими гвоздями. Другие клеи не выдерживали из-за сильного нагрева бумаги во время работы станка. Можно изготовить несколько фрез с различной зернистостью наждачной бумаги. Фрезу с более мелкой наждачной бумагой можно использовать для окончательной доводки поверхностей лопастей. Процесс фрезерования лопастей многократный, с постепенным поднятием столика. Фрезерование за один проход не получится из-за малой мощности станка. Вместо бальзы можно использовать легкую липу. В этом случае отфрезерованные лопасти просто покрывались лаком и полировались. Оправдало применение и жесткого пенопласта, но в этом случае всю лопасть необходимо обтягивать пленками. Современные пленки можно применять и при использовании бальзы.

Основную сложность при изготовлении лопастей представляет процесс балансировки лопастей. Не вдаваясь в теорию, отметим, что лопасти будут статически и динамически сбалансированы, если они имеют одинаковый вес и их центры тяжести находятся на одинаковом расстоянии от точки крепления к втулке и от передней кромки. Иными словами, только при выполнении одновременно этих двух условий лопасти не будут вызывать дополнительной вибрации. Существует множество методов балансировки лопастей несущего винта. Они отличаются применяемыми средствами и методами измерений и сравнений массы и координат центра тяжести лопастей. Так, например, для Хеликса предлагается ".. отбирать пары лопастей с разбросом по массе не более 5 г (большие устранить слишком сложно).Уже на данном этапе понадобятся лабораторные весы с точностью взвешивания не менее 0,1 г. Путем вывешивания на ребре дюралюминиевого уголка для каждой лопасти отыскивают положение центра тяжести по длине (радиусу ротора). Если эта величина окажется одинаковой для данной пары, можно заняться довешиванием более легкой лопасти путем нанесения на всю ее поверхность нескольких слоев жидкого лака с последующей шкуровкой. Но скорее всего, положения центров тяжести не совпадут. Совместить их лучше всего на счет высверливания двух-трех отверстий диаметром 4-5 мм в буковом концевом, более массивном торце на глубину до 70 мм. Сверловка в корне нежелательна - значительно ослабляет наиболее нагруженные участки ответственной детали. После продольной балансировки опять следует калибровка по массе каждой пары … и т.п. В приведенной методике требуются довольно точные весы, которые есть не у каждого моделиста.

Автор пользуется несколько иной методикой балансировки, без применения высокоточных весов и вывешивания лопастей на уголках. В этой методике применяются балансирные аптекарские весы (рис.3) и измеритель момента (рис.4). С помощью балансирных весов добиваемся равенства массы лопастей (путем нанесения лака или шлифования по всей длине лопасти и т.п.). Затем на измерителе моментов проверяем поочередно каждую лопасть. Если показания измерителя одинаковые, то это свидетельствует о том, что статический момент, т.е. произведение массы на расстояние от точки крепления до центра тяжести каждой лопасти, также одинаков. Если моменты от силы тяжести лопастей одинаковы при равенстве их масс, то и расстояние до центра тяжести каждой лопасти будет также равным. Иными словами, лопасти будут статически и динамически сбалансированы. Если же показания измерителя моментов отличаются, т.е. одна из лопастей по сравнению с другой создает больший или меньший момент от сил тяжести, то, при равенстве их масс, это свидетельствует о несовпадении расстояний от точки подвески до центра тяжести лопастей. Для лопасти, которая создает больший статический момент относительно точки подвести надо сдвинуть центр тяжести ближе к точке подвески, т.е. облегчить концевую часть лопасти. Или наоборот, для другой лопасти утяжелить концевую часть. Необходимо помнить, что любая такая операция (нанесение определенного количества лака или кусочков изоляционной ленты на концы лопастей, высверливанием в их торце отверстий и т.п.) изменяют массу лопастей. Поэтому необходимо вернуться к выравниванию масс лопастей на балансирных весах. Для этой цель автор, например, прикрепляет к лопастям, подвешенные к балансирным весам, одинаковые по массе куски изоляционной ленты. Затем на лопасть, которая создает больший момент, один из этих кусочков изоленты крепится непосредственно около корня её. На измерителе моментов находим точку крепления на другой лопасти второго кусочка изоленты, который обеспечивает равенство моментов от сил тяжести обеих лопастей. Если при такой балансировке количество изоленты получается значительным, то следует предварительно облегчать или утяжелять концы лопастей другими методами, например, нанесением лака или шпаклевки и шлифованием. Высверливание отверстий в торце, как показала практика, довольно трудоемкая и грубая операция, и к ней следует прибегать только в крайних случаях. Но никаких металлических балансиров (винтов, шурупов, кусков олова и т.п.) на концах лопастей устанавливать нельзя.

Следует отметить, что при использовании лаков и шпаклевок необходимо периодически проверять балансировку лопастей, поскольку со временем эти компоненты изменяют свои вес.

Можно применять и другие методики балансировки. Например, для выравнивания моментов от сил тяжести м ожно использовать головку ротора с прикрепленными лопастями. Для этого снятую головку с лопастями устанавливают на уголок и добиваются уже описанными методами равенства моментов, т.е. строгого горизонтального положения ротора. Но и в этом случае необходимо добиваться равенства не только моментов, но и масс лопастей.

Как показывает практика, выполнение этих условий позволяет быстро провести заключительную балансировку всего ротора на работающем вертолете, которую мы подробно рассмотрим в следующих статьях.

В заключение отметим, что приведенная методика позволят быстро изготовить лопасти, пригодные для начального обучения и простого пилотажа. Для других видов полета лопасти должны иметь, как правило, симметричный профиль и специальные утяжелители для повышения весо-динамических характеристик. Но это тема требует отдельного разговора.

Сегодня я расскажу вам про вертолеты. Не знаю, как вы, но лично я просто по уши влюблен в эти машины. Влюблен как визуально, так и просто обожаю их потроха и внутренности. Потому что вертолет - это, по–моему, самая крутая машина из всех, которые только строил человек.
Внутри будет много подробностей про вертолеты, их техническое устройство, много картинок, разоблачение стереотипов и заблуждений, а также интересные факты

Сразу должен сказать, что я являюсь просто помешанным любителем, никогда не получал специального образования в области вертолетостроения. C самого детства зачитал книги по их устройству до дыр, и сейчас грежу мечтой построить свой вертолет.

Вообще, вертолетов бывает много разных, я приложу сначала картинку, которая показывает некоторые типы вертолетов.

Буду рассказывать в основном о двух типах вертолетов: соосных под цифрой I и классической схемы под цифрой V, потому что во всем мире это самые распространенные схемы.

Вертолет - это машина компромисса. Трудно рассказать о том, как она устроена в одну историю, потому что одна тема задевает другую, другая тема задевает третью.

Сначала поговорим о самом просто и очевидном: у каждого вертолета есть двигатель и трансмиссия, посредством которой момент передается на винты.

Вроде такая очевидная вещь, но тут тоже есть свои нюансы: идеальный двигатель для вертолета должен обладать следующими параметрами: должен быть надежен, обладать высокой энерговооруженностью, желательно обладать высоким крутящим моментом и невысокими оборотами выходного вала.

Двигателей, которые отвечают всем этим параметрам, просто не существует. Приходится искать компромиссы.

Поэтому на большие современные вертолеты сейчас ставят два типа двигателей: поршневые и турбовальные. Последние при этом несмотря на то, что обладают высокой удельной мощностью, на выходе имеют очень высокие обороты (обычно это десятки тысяч оборотов в минуту), тогда как винту вертолета достаточно просто сотен оборотов. Из–за этого приходится ставить здоровенную трансмиссию - вот как на картинке, это редуктор от МИ–8.

Это трансмиссия от МИ–28 - видно вал и редуктор, который идет к хвостовому винту.

У соосного вертолета редуктор должен вращать нижний винт в одну сторону, а верхний винт в другую.
Пример фотографии редуктора самодельного соосного вертолета. Довольно небольшой редуктор, но и сам вертолет очень небольшой.

Фотография самого вертолета, называет он «Братишка»

Вертолёт Братишка

Кстати говоря, у соосного вертолета верхний и вижний винты всегда связаны, т.е. если вращается верхний винт, то он будет вращать нижий и обороты у них будут равны - это очень важная особенность соосных вертолетов.

Авторота́ция - режим вращения воздушного винта летательного аппарата или турбины двигателя, при котором энергия, необходимая для вращения, отбирается от набегающего на винт потока. Термин появился между 1915 и 1920 годами в период начала разработок вертолётов и автожиров и означает вращение несущего винта без участия двигателя.

Авторотация - это особое состояние вертолета, которая часто бывает штатным и помогает пилотированию, а в некоторых случаях спасает жизни, так как без авторотации, если у вертолета откажет двигатель (а двигатель - это то, что чаще всего и отказывает), вертолет просто разобьется.

Авторотация возникает при определенных условиях, одно из таких условий - начальная скорость вращения винта. Если винт изначально вращался недостаточно, то ни о какой авторотации не может идти и речи. Поэтому первое, что должен сделать пилот, если отказал двигатель - это как можно раньше это понять. Затем пилот должен максимально уменьшить угол атаки лопастей. Вертолет при этом будет снижаться и двигаться поступательно вперед, т.е. как раз поступательное движение вперед и создает эту самую силу, которая раскручивает винт и дает некую подъемную силу.
На картинке немного видно, как это происходит. При этом важно понять одну вещь - пилот максимально уменьшает угол атаки лопастей, который для некоторых вертолетов может равняться отрицательным значениям - 3, 4 градуса. Авторотация возможна и в какой–то степени при положительном угле атаки, но не более определенных градусов.

Редукторы и двигатели

Вообще редуктор, как и двигатель, может быть любыми, но они всегда есть:
Вот Ми–1, на него устанавливали звездообразный двигатель:

На Robinson R–22 и R–44 ставят опоозитные двигатели.

Что же касается редукторов, то тут тоже очень много схем:

У робинсона стоит ременной редуктор.
Некоторые самоделкины ставят цепной редуктор, хотя я такое встречал очень редко.
Вот у мужчины, который собрал свой вертолет, стоит ременной привод рулевого винта. И ременной же редуктор привода несущего винта.

Вообще есть одна закономерность: на легкие вертолеты чаще ставят ременной редуктор, тогда как на тяжелые ставят только с зубчатыми колесами.

Редукторы больших вертолетов стоят очень много денег, так как каждый винтик и болтик там проверяется по многу раз, ставятся датчики металлической стружки, чтобы пилот вовремя мог адекватно реагировать и прочее и прочее.

Это очень важный узел и подходят к нему очень ответственно.

Сцепление

Дальше помимо редуктора и двигателя у большинства (но не у всех) вертолетов есть сцепление. Его выполняют по разным технологиям: иногда достаточно просто ослабить клиновой ремень, иногда ставят центробежное сцепление, иногда ставят диски сцепления, как на обыкновенных автомобилях. Сцепление нужно для того, чтобы пилот мог завести двигатель и прогреть его. После этого сцепление замыкается и момент передается на винты.

Муфта свободного хода

И еще одна важная часть вертолета, без которой не делают ни один вертолет - это муфта свободного хода или обгонная муфта. Вот такая штука:

Благодаря этой штуке винт может свободно вращаться, если остановится двигатель. Это очень важная деталь и без нее ни один вертолет не сможет толком летать. К тому же без нее летать будет вообще очень опасно. Об этом уже говорили выше - без этой муфты невозможно самовращение несущего винта (авторотация).
Кстати, даже у маленьких радиоуправляемых вертолетов, но профессиональных, есть такая муфта - без нее было бы невозможно делать пилотаж.

Винты и лопасти

Теперь самое интересное.
Вообще все эти вертолеты объединяет одно - у каждого вертолета есть несущий винт.
Когда вертолеты только появились, винт вертолета был похож на винт самолета. Оказалось, что такой подход ошибочен и ничего толком не дает. Несущий винт состоит из лопастей, втулки несущего винта и системы управления.
Во–первых, чтобы рассказать про винт вертолета, сначала нужно рассказать про лопасти.

Как же устроена каждая лопасть?

Сейчас лопасть вертолета похожа в большей степени на крыло самолета.
Посмотрим на лопасть в разрезе и увидим точно такой же профиль, какой применяется на самолетах. При этом самолет движется вперед, а лопасть вертолета вращается. Из–за этого лопасть винта имеет некоторые особенности: профиль лопасти у основания и профиль лопасти на конце может отличаться; лопасти вертолета могут иметь «крутку», т.е. у основания угол отаки лопасти больше, чем угол атаки лопасти на конце - так приходится делать из–за того, что скорость движения лопасти у основания ниже, чем скорость на конце, соответственно конец лопаси создает большую подъемную силу.

Еще одна интересная вещь, о которой многие не знают - подъемная сила на лопасти вертолета создается в большей степени ее верхней частью, а не нижней. Т.е. лопасть как бы стремится вверх, потому что там разряжено давление, а не опирается на воздух, как многие думают. Подъемная сила от нижней части лопасти дает только 20% от общей подъемной силы.

Очень хорошее видео про аэродинамику находится тут, если кому–то будет очень интересно и нечем будет заняться на досуге. Но видео очень длинное и очень старое:

Исторически лопасти из чего только не делали: деревянные, металлические, сейчас же лопасти в основном делают из композитов, первые в этом были ОКБ Камова.

Лопасть состоит из силового элемента - лонжерона, который воспринимает нагрузку и хвостовой секции, обычно из легкого материала. Так же лопасть часто снабжают грузами, которые находятся в передней части лопасти. Это нужно для того, чтобы избежать такого неприятного эффекта как флаттер, т.е. самоколебаний лопасти - для этого центр тяжести лопасти нужно смести вперед перед центром давления. Не спрашивайте меня, почему так делают, просто так нужно делать и все!

Вообще, лопасти довольно эластичны, вот фотография Ми–8 на стоянке:

Видно, как лопасти прогнулись под собственным весом. У гигантов типа Ми–26 зимой под давлением снега лопасти могут свисать чуть ли не до самой земли. Жесткость лопастей и не нужна - она формируется под действием центробежной силы, когда лопасти вращаются.

Вот фотография Ми–8 в полете, видно, как лопасти выгнулись в конус.

Чем больше нагрузка на лопасти, тем более выгнутый конус будет у вертолета.

Прежде чем поставить лопасти на вертолет, каждая лопасть балансируется относительно другой. Лопасти должны быть одинакового веса и у них должны совпадать центры тяжести. Помимо этого, когда лопасти вращаются, у них должна быть одинаковая подъемная сила.

Лопасти чуть–чуть отличаются по своему профилю. Но чтобы вертолет летал как надо, нужно, чтобы каждая лопасть давала определенную подъемную силу. Для этого у лопастей есть триммеры. Это такие пластинки на концах лопастей. Техники триммируют лопасти так: красят каждую лопасть в отдельный цвет свежей краской. Заводят вертолет, раскручивают лопасти. Затем подносят к образовавшемуся конусу большой лист бумаги и смотрят в каких местах лопасти ударили. Затем ровняют все лопасти к средней и делают так до тех пор, пока все лопасти не будут бить в одно место.

Тримерные пластины на лопастях лопасти вертолета Ка–22,

К вопросу о размерах вертолётов.

А это синхрокоптер. Очень интересная схема вертолетов. Вот реальный пример:

У каждого вертолета может быть разное число лопастей. И тут есть одно простое правило: чем меньше лопастей - тем лучше. В идеале бы строить вертолеты с 1 лопастью, но такие винты будет невозможно уравновесить. У двулопастных винтов тоже есть свои минусы, поэтому считается, что оптимальное число лопастей 3 штуки, почему так считается - я честно говоря сам не знаю, но так пишут во всех учебниках, что мол оптимальное. Почему же много лопастей - это плохо? Потому что каждая лопасть влияет на соседнюю и в итоге, чем больше лопастей, тем ниже КПД винта. Тогда почему есть вертолеты с 5ю лопастями, а Ми–26 имеет вообще 8? Дело в том, что на каждую лопасть ложится нагрузка от веса вертолета и полезного груза. Чем тяжелее вертолет и чем больше груз, тем больше нагрузка на лопасти, поэтому их приходится делать все больше и больше. К тому же, чем меньше лопастей, тем больше при равных условиях нам потребуется диаметр винта, а слишком большой диаметр винта тоже никому не нужен.

С лопастями разобрались. Теперь поговорим о втулке несущего винта. Эта часть вертолета является наиболее интересной и как раз в этом вопросе больше всего вариантов ответа и больше всего разных решений.

Дело в том, что один вертолет может кардинально отличаться от другого только лишь одной втулкой.

Изначально винт вертолета был достаточно просто: лопасти крепились к валу жестко. Считалось, чтобы вертолет поднимался или опускался нужно просто изменить обороты винта и все.
У таких машин были большие проблемы: во–первых, такой вертолет не мог толком двигаться вперд или назад: как–то только машина набирала какую–нибудь скорость - так сразу ее начинало сильно кренить.
Выяснилось, что это возникает из–за того, что лопасть, которая набегает на поток воздуха дает больше подъемной силы, чем та лопасть, которая отбегает от потока, отсюда и крен.
Вот картинка, из которой все более или менее должно быть понятно:

Решение нашли в двух вещах: во–первых, создали автомат перекоса, а во–вторых лопасти начали крепить к валу не жестко, а через шарниры.

Про автомат перекоса я расскажу в следующем комментарии, тем более он бывает разных видов и там тоже все очень интересно.

У лопастей появился осевой шарнир - благодаря ему лопасть может вращаться вокруг своей оси, тем самым меняя угол атаки лопасти. Появился горизонтальный шарнир, благодаря ему лопасть может совершать маховые движения, т.е. как бы махать. И вертикальный шарнир - лопасти могут отклоняться.

Зачем нужны такие хитрости?

Вертолет - это динамическая машина, еще эта машина должна уметь маневрировать, уметь противостоять порывам ветра и т.д.

Конструкторы, подвесив лопасти на шарниры во–первых, смогли существенно снизить нагрузки, которые возникают в местах крепления лопастей. Во–вторых лопасти за счет маховых движений позволяют вертолету самостабилизироваться: лопасть делает взмах в том случае, если у нее выросла подъемная сила, а как только он делает взмах, то подъемная сила падает - замороченная фраза я знаю.

Как раз изобретение автомата перекоса и шарнирного крепления лопастей к втулке несущего винта позволило уже создавать настоящие вертолеты - это главные изобретения вертолетостроения.

Сейчас я просто покажу различные типы креплений лопастей к валу несущего винта.

Начнем с самого простого.
Двулопастной винт, общий горизонтальный шарнир. Это самая простая схема из всех. Стоит на хуеве туче вертолетов, ее очень сильно любят самодельцы - в основном только эту схему и реализуют в виду своей простоты и дешевезны.
Самый известный - Robinson


Такой винт приходится крепить достаточно высоко, так как у него высокий шанс задеть хвостовую балку, посмотрите на сам вертолет:


Эрокез


Самоделкины:





Вообще, тысячи этих самоделок именно с такой втулкой, трудно найти самодельный вертолет без такой втулки. У вертолета «Братишка» тоже такая втулка, только там по–моему осевой шарнир сделан из торсиона.
Вот соосный вертолет с таким типо втулки, осевой шарнир так же сделан с помощью торсиона:


Помимо простоты и дешевезны у этой схемы есть большие минусы:
- Самая большая вибрация
- Проблемы с управляемостью: лопасти свободно болтаются на валу и с трудом передают момент, поэтому приходится хитрить: ось горизонтального шарнира находится выше осевый шарниров, хорошо видно у Робинсона.
- Из–за этого вертолет по–разному реагирует на рычаг циклического шага в зависимости от оборотов винта
- Must bumping - неприятная вещь из–за которой винт может к хуям оторваться от вала, если вертолетом неаккуратно управлять. Возникает после того, когда вертолет набирал высоту кабрированием и потом ручкой циклического шага пилот переводит вертолет в пикирование.

Подробнее по видео:

В общем, самая хуевая схема среди всех. Сейчас на меня могут налететь владельцы и пилоты Robinson и ругать меня. Но факт остается фактом - это самая хуевая схема, но ее дешевизна дала ей возможность распространиться вообще везде. Такие дела.