Основой передвижения по воздуху на принципах аэродинамики является наличие силы, противодействующей сопротивлению воздуха в полете и силе тяжести. На всех современных летательных аппаратах, за исключение планеров, имеется двигатель, мощность которого преобразуется в эту силу. Механизмом, преобразующим вращение вала силовой установки в тягу, является воздушный винт самолета.
Описание воздушного винта
Воздушный винт самолета представляет собой механическое устройство с лопастями, вращаемое валом двигателя и создающее тягу для движения летательного аппарата в воздухе. За счет наклона лопастей винт отбрасывает воздух назад, создавая область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Практически все люди на земле хотя бы раз в жизни имели возможность увидеть этот устройство, поэтому многочисленные наукообразные определения не требуются. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем через специальный фланец, балансировочных грузиков, размещаемых на втулке, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.
Другие названия
Как еще называется винт самолета? Исторически сложились два основных названия: собственно воздушный винт и пропеллер. Однако в дальнейшем появились другие названия, подчеркивающие либо особенности конструкции, либо дополнительные функции, возлагаемые на этот агрегат. В частности:
- Фенестрон. Винт, вставляемый в специальный канал в хвост вертолета.
- Импеллер. Винт, заключенный в специальное кольцо.
- Винтовентилятор. Это стреловидные, или саблевидные винты в два ряда с уменьшенным диаметром.
- Ветровентилятор. Аварийная система резервного обеспечения электроэнергией от набегающего воздушного потока.
- Ротор. Так иногда называют несущий винт вертолета и некоторые другие.
Теория винта
По своей сути любой винт самолета представляет собой некие подвижные крылья в миниатюре, живущие по тем же законам аэродинамике, что и крыло. То есть, передвигаясь в атмосферной среде лопасти, благодаря своему профилю и наклону, создают поток воздуха, который является движущей силой летательного аппарата. Сила этого потока, помимо конкретного профиля, зависит от диаметра и частоты оборотов винта. При этом зависимость тяги от оборотов - квадратичная, а от диаметра - даже в 4-й степени. Общая формула тяги выглядит следующим образом: P = α * ρ * n 2 * D 4 , где:
- α - коэффициент тяги винта (зависит от конструкции и профиля лопастей);
- ρ - плотность воздуха;
- n - число оборотов винта;
- D - диаметр винта.
Интересно сравнить с приведенной формулой, еще одну, выведенную из той же теории винта. Это потребная мощность для обеспечения вращения: T = Β * ρ * n 3 * D 5 , где Β - расчетный коэффициент мощности винта.
Из сопоставления этих двух формул видно, что, усиливая обороты винта самолета и увеличивая диаметр пропеллера, потребная мощность двигателя растет экспоненциально. Если уровень тяги пропорционален квадрату оборотов и 4-й степени диаметра, то потребная мощность двигателя растет уже пропорционально кубу оборотов и 5-й степени диаметра винта. С ростом мощности двигателя растет и его вес, что требует еще большей тяги. Очередной заколдованный круг в авиастроении.
Характеристики воздушных винтов
Любой винт, установленный на самолете, имеет набор характеристик, приведенных ниже:
- Диаметр винта.
- Геометрический ход (шаг). Под этим термином подразумевается расстояние, которое прошел бы винт, врезаясь в теоретическую твердую поверхность за один оборот.
- Поступь - фактическое расстояние, проходимое винтом за один оборот. Очевидно, что эта величина зависит от скорости и от частоты вращения.
- Угол установки лопастей - угол между плоскостью и фактическим наклоном винта.
- Форма лопастей - большинство современных лопастей имеет саблеобразную, изогнутую форму.
- Профиль лопастей - сечение каждой лопасти имеет, как правило, крыльевую форму.
- Средняя хорда лопасти - геометрическое расстояние между передней и задней кромками.
При этом главной характеристикой воздушного винта самолета остается его тяга, то есть то, ради чего он вообще нужен.
Достоинства
Летательные аппараты, использующие в качестве движителя воздушный винт, гораздо экономичней своих турбореактивных «собратьев». Коэффициент полезного действия достигает 86%, что является недостижимой величиной для реактивной авиации. Это их главное преимущество, которое фактически вновь ввело их в строй во время нефтяного кризиса 70-х годов прошлого века. На небольших дистанциях полета, скорость не имеет решающего значения по сравнению с экономичностью, поэтому большинство самолетов региональной авиации - винтовые.
Недостатки
Недостатки у самолета с воздушным винтом тоже имеются. В первую очередь, это минусы чисто «кинетические». Во время вращения винт самолета, обладая собственной массой, оказывает воздействие на корпус самолета. Если лопасти, например, вращаются по часовой стрелке, то корпус стремится вращаться, соответственно, против часовой стрелки. Создаваемые пропеллером завихрения активно взаимодействуют с крыльями и оперением летательного аппарата, создавая различные потоки справа и слева, тем самым дестабилизируя траекторию полета.
И наконец, вращающий пропеллер представляет собой своеобразный гироскоп, то есть он стремится сохранить свое положение, что затрудняет процесс изменения траектории полета для воздушного суда. Эти недостатки винта самолета были известны давно, и конструкторы научились с ними бороться путем внесения определенной асимметричности в конструкции самих кораблей или их управляющих поверхностей (рулей направления, спойлеров и т. д.). Справедливости ради надо отметить, что подобными «кинетическими» недостатками обладают и реактивные двигатели, но в несколько меньшей степени.
К минусам можно отнести и так называемый эффект запирания, когда увеличение диаметра и частоты вращения винта самолета до определенных пределов, перестают давать эффект в виде увеличения тяги. Этот эффект связан с появлением на отдельных участках лопастей потоков воздуха около- или сверхзвуковой скорости, что создает волновой кризис, то есть образование скачков уплотнения воздушной среды. По сути, они преодолевают звуковой рубеж. В связи с этим максимальная скорость самолетов с воздушным винтом не превышает 650-700 км/час.
Пожалуй, единственным исключением стал бомбардировщик Ту-95, развивающий скорость до 950 км/час, то есть почти звуковую скорость. Каждый его двигатель оснащен двумя соосными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Ну и последней проблемой винтовых самолетов является их шумность, требования к которой со стороны авиационных властей, постоянно ужесточаются.
Классификация
Существует много вариантов классификации воздушных винтов самолета. Они подразделяются на группы в зависимости от материала, из которого они изготовлены, от формы лопастей, их диаметра, количества, а также по ряду других характеристик. Однако наиболее важной является их классификация по двум признакам:
- Первый — винты бывают с изменяемым шагом и фиксированным шагом.
- Второй - винты бывают тянущие и толкающие.
Первый устанавливается в передней части самолета, а второй, соответственно, в задней его части. Самолет с толкающим винтом возник раньше, однако затем был на некоторое время предан забвению и лишь относительно недавно вновь появился в небе. Сейчас эта компоновка широко применяется на небольших летательных аппаратах. Имеются даже совсем экзотические варианты, оснащенные и тянущими и толкающими лопастями одновременно. Самолет с винтом сзади имеет ряд преимуществ, главным из которых является его более высокое аэродинамическое качество. Однако из-за отсутствия дополнительного обдува крыла потоком воздуха от пропеллера у него худшие взлетно-посадочные характеристики.
Винты с изменяемым шагом
Практически на всех современных средних и крупных самолетах устанавливаются винты с изменяемым шагом. При большом шаге лопастей достигается большая тяга, но если обороты двигателя довольно низкие, набор скорости будет производиться крайне медленно. Это очень похоже на ситуацию с автомобилем, когда на высших передачах пытаться тронуться с места.
Высокая скорость и маленький шаг винта создают опасность срыва потока и падения тяги до ноля. Поэтому в процессе полета шаг постоянно изменяется. Сейчас это делает автоматика, а раньше пилот сам должен был постоянно следить за этим и вручную корректировать угол наклона. Механизм изменения шага винта представляет собой специальные втулки с приводным механизмом, поворачивающие лопасти относительно оси вращения на требуемый градус.
Современная разработка в России
Работы над совершенствованием устройств никогда не прекращались. В настоящее время проводятся испытания нового воздушного винта самолета АВ-112. Он будет применяться на легком военно-транспортном самолете Ил-112В. Это 6-лопастной пропеллер, с коэффициентом полезного действия 87 %, диаметром 3,9 метра и частотой вращения 1200 оборотов в минуту и изменяемым шагом винта. Разработан новый профиль лопастей и облегчена его конструкция.
В прошлом мои модели винтовых самолетов всегда заканчивали свой полет аварийным крутым пике. Описанная здесь конструкция решает эту проблему за счет легковесного полозкового шасси, которое действует на подобие посадочного механизма. Эта защита подходит, только если запускать самолет на открытом воздухе либо в большой, просторной комнате.
План урока:
Сложность: 3.5/5
Подготовка: 2/5
Сборка: 1/5
Уборка: 1/5
Подготовительные работы:
Сложите и разрежьте листы картона вдоль пополам.
Скажите своим ученикам, что они будут мастерить самолет, который сможет взлетать с земли или со стола, лететь минимум 5 метров и приземляться плавно. Поскольку это довольно простой проект, Я советую хотя бы частично делать модель вместе с учениками, демонстрируя им основные моменты сборки в процессе. В этом мастер-классе много шагов, так что старайтесь поменьше отступать от плана. Основная работа описана в шагах 2-6.
Цель изучения:
В ходе устной лекции, ученики усвоят четыре основных понятия в авиации: подъем, осевое давление, стабильность и вес.
В ходе тестирования собственных самолетов и анализа результатов ученики смогут обсуждать возможные недостатки и способы их устранения с учителем. Ученики смогут изменить свои модели и повторить процесс заново.
Как только у учеников получится сделать красиво парящие модели винтового самолета, они смогут усложнять схемы полета, выполняя повороты или петли.
Шаг 1: Материалы
2 палочки
- 2 полу-палочки
- 2 трубочки для напитков
- 2 тонкие резинки
- 1 лист картона
- 1 скрепка для бумаги
- 1 пропеллер
- Клейкая лента
- Карандаши или фломастеры для раскраски
Пропеллеры можно купить в интернете.
Шаг 2: Вал винта
Объясняйте ученикам важные аспекты конструкции по ходу дела, подавая им непосредственный пример своей собственной работой. Вал винта просто поддерживает и растягивает резинки, которые будут использованы в качестве источника энергии. Крепко закрепите скрепку клейкой лентой!
Как только закрепите резинки, вал пропеллера будет осевое усилие самолету. По сути, это то, что толкает самолет вперед. Представьте, что вы сидите на стуле с колесами. Если вы оттолкнетесь ногами от стены, вы поедете на стуле в противоположном направлении. То же происходит и здесь. Вращаясь, пропеллер прогоняет воздух навстречу самолету и толкает воздух по направлению к заднему концу самолета. Толкая воздух назад, пропеллер создает обратную реакцию, в результате которой самолет движется вперед.
Шаг 3: Крылья, хвост и стабилизатор
Самое важное, что нужно самолету для полета, - это подъем. Подъем происходит тогда, когда воздух давит на нижнюю сторону крыльев. Чем больше крылья, тем больший подъем будет происходить. Бумага сложена пополам и разрезана под наклоном, потому что мы хотим, чтобы крылья были больше посередине самолета, где он наиболее тяжелый. Если сделать крылья прямоугольными, самолет может подняться слишком высоко одной стороной крыла, что в итоге приведет к аварии.
Оставшийся лист бумаги также сложите пополам и разрежьте. Эти кусочки можно использовать для хвоста и стабилизатора.
Шаг 4: Крепление крыльев, хвоста и стабилизатора
Используйте длинные куски клейкой ленты вдоль всего вала, чтобы надежно приклеить крылья.
Склейте два треугольных кусочка вместе в качестве хвоста. Хвост клеится к валу таким же способом, как и крылья.
Половинки стабилизатора приклеиваются к хвосту, затем две половинки склеиваются посередине между собой.
Хвост удерживает заднюю часть самолета “на плаву” во время подъема. Стабилизатор тоже важен, потому что он помогает самолету держать ровный курс, никуда не отклоняясь и не переворачиваясь.
Мне нравится объяснять важность стабилизатора так: держите перед собой лист бумаги (например, половинка картонного листа). Дуньте на него воздух поперек края листа. Вы увидите, что бумага почти не пошевелилась. Это потому, что воздух легко проходит вокруг бумажного листа, потому что он ровный и тонкий. А теперь держите лист бумаги за один кончик и подуйте на него. Бумага начнет развиваться в разные стороны, изгибаться под напором воздуха, поскольку воздух не может легко пройти сквозь лист. Воздуху гораздо проще смахнуть лист со своего пути, пока он не будет расположен в одном направлении с воздушным потоком.
Стабилизатор работает по тому же принципу. Когда самолет движется прямо, воздух легко проходит вокруг стабилизатора. Но если самолетик начинает поворачивать, стороны стабилизатора будут противостоять воздушному потоку. Воздух будет давить на стабилизатор, пока самолет не выровняется. Это позволяет самолету держать стабильный курс.
В данной конструкции стабилизатор имеет треугольную форму. Один плоский кусочек бумаги чересчур нестабилен в роли стабилизатора, поток воздуха просто согнет его. Перед тем, как крепить стабилизатор, закрепите резинки на самолете.
Шаг 5: Полозковое шасси
Полозковое шасси позволяет запускать самолет с плоской поверхности, так как оно поднимает пропеллер достаточно высоко, чтобы он не касался земли. Кроме того, такое шасси выполняет еще одну важную функцию: добавляет вес на днище самолета.
Почему это важно? Ответ не сразу очевиден. Если закрутить резинки и отпустить, чтобы запустить самолет, они раскручиваются с обеих сторон. Один край резинки вращает пропеллер, а другой пытается развернуть остальную часть самолета! Конечно, самолет гораздо тяжелее вращать, поскольку он больше и тяжелее, но все равно ощущается определенная сила, развиваемая резинкой. И если такой силы слишком много, самолет может наклониться в одну сторону, потерять стабильность и упасть.
Вес от шасси наоборот, прибавит самолету веса, а следовательно, и стабильности. С ним низ самолета гораздо тяжелее верха, и самолет будет гораздо лучше сопротивляться наклонам или опрокидыванию.
Шаг 6: Полет!
Чтобы взлететь, удерживайте вал рукой возле пропеллера. Начните закручивать пропеллер по часовой стрелке. Следите, чтобы ученики отворачивали пропеллер от себя, чтобы самолет летел в противоположную от них самих сторону. Иначе, если случайно отпустить пропеллер, можно травмировать себя.
Экспериментируйте с разным количеством энергии и найдите идеальное количество оборотов пропеллера, чтобы достичь желаемой дистанции и качества полета.
Чтобы запустить самолет, поставьте его на плоскую поверхность так, чтобы пропеллер смотрел от вас. Аккуратно, но устойчиво держите вал одной рукой, а пропеллер другой. Сначала отпустите пропеллер, затем через долю секунды вал. Время играет роль, и тут понадобится немного практики. Время между отпусканием пропеллера и винта примерно равно длительности, если сказать “Тик-так”. Таким способом удобно пояснять этот момент ученикам. Пока говорите “тик”, нужно отпустить пропеллер, а когда произносите “так” - нужно отпустить вал.
Освоив базовую технику полета, ученики могут начать экспериментировать с разными эффектами, типа петель, поворотов или бочек!
Шаг 7: Безопасность, подсказки и устранение неисправностей
Этот проект может быть опасным по двум причинам! 1. Пропеллер может очень быстро вращаться и оставлять на коже порезы. 2. Пропеллер может запутаться в длинных волосах. Следите за тем, чтобы ученики аккуратно и внимательно обращались с пропеллерами. Для полетов выбирайте только большую, открытую площадь, чтобы самолет не встретил препятствий перед собой и по сторонам.
По причине отсутствия разумных альтернатив почти все самолеты первой половины прошлого века оснащались поршневыми двигателями и воздушными винтами. Для повышения технических и летных характеристик техники предлагались новые конструкции винтов, имевшие те или иные особенности. В середине тридцатых годов была предложена совершенно новая конструкция, позволявшая получить желаемые возможности. Ее автором являлся нидерландский конструктор А.Я. Деккер.
Работу в области винтовых систем Адриаан Ян Деккер начал еще в двадцатых годах. Тогда им была разработана новая конструкция крыльчатки для ветряных мельниц. Для повышения основных характеристик изобретатель предложил использовать плоскости, напоминающие крыло самолета. В 1927 году такая крыльчатка была установлена на одной из мельниц в Нидерландах и вскоре прошла испытания. К началу следующего десятилетия в эксплуатацию ввели три десятка таких крыльчаток, а в 1935-м ими оснащалось уже 75 мельниц.
Опытный самолет с воздушным винтом А.Я. Деккера. Фото Oldmachinepress.com
В начале тридцатых годов, после проведения испытаний и внедрения новой конструкции на мельницах, А.Я. Деккер предложил использовать схожие агрегаты в авиации. По его расчетам, крыльчатка особой конструкции могла бы использоваться в качестве воздушного винта самолета. Вскоре эта идея была оформлена в виде необходимой документации. Кроме того, конструктор озаботился получением патента.
Использование нестандартной конструкции воздушного винта, по задумке изобретателя, должно было дать некоторые преимущества перед существующими системами. В частности, появлялась возможность снизить обороты винтов при получении достаточной тяги. В связи с этим изобретение А.Я. Деккера нередко именуют «Воздушным винтом с малой скоростью вращения» – Low rotation speed propeller. Так же эта конструкция именовалась и в патентах.
Первая заявка на получение патента была подана в 1934 году. В конце июля 1936-го А.Я. Деккер получил британский патент за номером 450990, подтверждавший его приоритет в создании оригинального винтового движителя. Незадолго до выдачи первого патента появилась еще одна заявка. Второй патент был выдан в декабре 1937 года. За несколько месяцев до этого нидерландский конструктор отправил документы в патентные бюро Франции и США. Последнее в начале 1940 года выдало документ US 2186064.
Конструкция винта второй версии. Чертеж из патента
Британский патент №450990 описывал необычную конструкцию воздушного винта, способную обеспечит достаточные характеристики при определенном сокращении негативных факторов. Конструктор предложил использовать крупную ступицу винта оживальной формы, плавно переходящую в носовую часть фюзеляжа самолета. На ней должны были жестко крепиться крупные лопасти необычной формы. Именно оригинальные обводы лопастей, как считал А.Я. Деккер, могли привести к желаемому результату.
Лопасти «низкооборотного» воздушного винта должны были иметь малое удлинение при большой длине хорды. Их следовало монтировать под углом к продольной оси ступицы. Лопасть получала аэродинамический профиль с утолщенной носовой честью. Носок лопасти предлагалось делать стреловидным. Законцовка располагалась почти параллельно оси вращения винта, а заднюю кромку предлагалось сделать изогнутой с выступающей концевой частью.
Внутреннее устройство винта и редуктора. Чертеж из патента
Первый проект 1934 года предусматривал использование четырех лопастей. Винт такой конструкции должен был крепиться на валу, отходящем от редуктора с требуемыми характеристиками. Значительная площадь лопастей винта в сочетании с аэродинамическим профилем должны были обеспечить прирост тяги. Таким образом, появлялась возможность получить достаточную тягу при меньших оборотах в сравнении с винтом традиционной конструкции.
Уже после подачи заявки на первый патент А.Я. Деккер провел испытания опытного винта и сделал определенные выводы. В ходе проверки было установлено, что предложенная конструкция имеет определенные минусы. Так, воздушный поток позади винта расходился в стороны, и лишь малая его часть проходила вдоль фюзеляжа. Это приводило к резкому ухудшению эффективности хвостовых рулей. Таким образом, в существующем виде винт Деккера не мог использоваться на практике.
Дальнейшая проработка оригинального воздушного винта привела к появлению обновленной конструкции с рядом важнейших отличий. Именно она стала предметом второго британского и первого американского патента. Интересно, что в документе из США, в отличие от английского, описывался не только винт, но и конструкция его приводов.
Самолет Fokker C.I - подобная машина стала летающей лабораторией для проверки идей А.Я. Деккера. Фото Airwar.ru
Обновленное изделие Low rotation speed propeller должно было иметь в своем составе сразу два соосных воздушных винта противоположного вращения. Передний винт по-прежнему предлагалось строить на основе крупной обтекаемой ступицы. Лопасти заднего винта следовало крепить к цилиндрическому агрегату сопоставимых размеров. Как и в предыдущем проекте, кок переднего винта и кольцо заднего могли выполнять функции носового обтекателя самолета.
Оба винта должны были получать лопасти схожей конструкции, представлявшей собой развитие наработок первого проекта. Вновь следовало использовать значительно изогнутые лопасти малого удлинения, имеющие развитый аэродинамический профиль. Несмотря на стреловидную переднюю кромку, длина профиля увеличивалась по направлению от корня к законцовке, образуя характерный изгиб задней кромки.
Согласно описанию патента, передний винт должен был вращаться против часовой стрелки (при взгляде со стороны пилота), задний – по часовой стрелке. Лопасти винтов следовало монтировать соответствующим образом. Количество лопастей зависело от требуемых характеристик винта. В патенте приводилась конструкция с четырьмя лопастями на каждом винте, тогда как более поздний опытный образец получил большее число плоскостей.
Процесс сборки оригинальных винтов, можно рассмотреть внутренние элементы изделия. Фото Oldmachinepress.com
В американском патенте описывалась конструкция оригинального редуктора, позволявшего передавать крутящий момент с одного двигателя на два винта противоположного вращения. Вал двигателя предлагалось соединять с солнечной шестерней первого (заднего) планетарного контура редуктора. При помощи закрепленного на месте зубчатого венца мощность передавалась на шестерни-сателлиты. Их водило соединялось с валом переднего винта. Этот вал также соединялся с солнечной шестерней второй планетарной передачи. Вращающееся водило ее сателлитов соединялось с полым валом заднего винта. Такая конструкция редуктора позволяла синхронно регулировать скорость вращения винтов, а также обеспечивать их вращение в противоположных направлениях.
По задумке изобретателя, основная тяга должна была создаваться лопастями переднего винта. Задний, в свою очередь, отвечал за правильное перенаправление потоков воздуха и позволял избавиться от негативных эффектов, наблюдавшихся в базовом проекте. После двух соосных винтов поток воздуха проходил вдоль фюзеляжа и должен был нормально обдувать хвостовое оперение с рулями. Для получения таких результатов задний винт мог иметь уменьшенную скорость вращения – около трети оборотов переднего.
Оригинальный винтовой движитель создавался с учетом возможного внедрения в новые проекты авиационной техники, и потому требовалось провести полноценные испытания. В начале 1936 года Адриаан Ян Деккер основал собственную компанию Syndicaat Dekker Octrooien, которой предстояло проверить оригинальный воздушный винт, и – при получении положительных результатов – заняться продвижением этого изобретения в авиационной отрасли.
Готовый винт на самолете. Фото Oldmachinepress.com
В конце марта того же года «Синдикат Деккера» приобрел многоцелевой самолет-биплан Fokker C.I нидерландской постройки. Эта машина с максимальным взлетным весом всего 1255 кг оснащалась бензиновым двигателем BMW IIIa мощностью 185 л.с. Со штатным двухлопастным деревянным винтом она могла развивать скорость до 175 км/ч и подниматься на высоту до 4 км. После определенной перестройки и установки нового воздушного винта биплан должен был стать летающей лабораторией. В апреле 1937 года компания А.Я. Деккера зарегистрировала модернизированный самолет; он получил номер PH-APL.
В ходе перестройки опытный самолет лишился штатного капота и некоторых других деталей. Вместо них в носовой части фюзеляжа поместили оригинальный редуктор и пару «винтов низкой скорости вращения». Передний винт получил шесть лопастей, задний – семь. Основой нового винта стала пара ступиц, собранных из алюминиевого каркаса с обшивкой из того же материала. Лопасти имели схожую конструкцию. В связи с установкой винтов нос машины самым заметным образом изменил свою форму. При этом цилиндрический обтекатель заднего винта не выступал за пределы обшивки фюзеляжа.
Испытания летающей лаборатории с оригинальным винтом стартовали в том же 1937 году. Площадкой для них стал аэродром Ипенберг. Уже на ранних стадиях проверок было установлено, что соосные винты с лопастями малого удлинения действительно могут создавать требуемую тягу. С их помощью машина могла выполнять рулежки и пробежки. Кроме того, с определенного времени испытатели попытались поднять машину в воздух. Известно, что опытный Fokker C.I смог выполнить несколько подлетов, но о полноценном взлете речи не шло.
Вид спереди. Фото Oldmachinepress.com
Испытания опытного самолета позволили выявить как плюсы, так и минусы оригинального проекта. Было установлено, что пара винтов противоположного вращения действительно способна создавать требуемую тягу. При этом винтомоторная группа в сборе отличалась сравнительно малыми размерами. Еще одним преимуществом конструкции был сниженный шум, производимый лопастями малого удлинения.
Впрочем, не обошлось без проблем. Воздушный винт А.Я. Деккера и необходимый ему редуктор отличались от существующих образцов излишней сложностью изготовления и обслуживания. Кроме того, экспериментальный винт, установленный на Fokker C.I, показал недостаточные характеристики тяги. Он позволял самолету двигаться по земле и развивать достаточно высокую скорость, но для полетов его тяга была недостаточна.
По-видимому, испытания продолжались до самого начала сороковых годов, однако за несколько лет так и не привели к реальным результатам. Дальнейшим работам помешала война. В мае 1940 года гитлеровская Германия напала на Нидерланды, и всего через несколько дней опытный самолет с необычными воздушными винтами стал трофеем агрессора. Немецкие специалисты ожидаемо проявили интерес к этой разработке. Вскоре летающую лабораторию отправили на один из аэродромов вблизи Берлина.
Запуск двигателя, винты начали вращение. Кадр из кинохроники
Имеются сведения о проведении некоторых испытаний силами немецких ученых, однако эти проверки достаточно быстро закончились. По некоторым данным, первая же попытка немцев поднять самолет в воздух завершилась аварией. Машину не стали восстанавливать, и на этом история смелого проекта закончилась. Единственный самолет, оснащенный винтами типа Low rotation speed propeller, не смог показать себя с лучшей стороны, и потому от оригинальной идеи отказались. В дальнейшем массово использовались только воздушные винты традиционного облика.
Согласно идеям, лежавшим в основе оригинального проекта, особый «Воздушный винт с малой скоростью вращения» должен был стать полноценной альтернативой системам традиционной конструкции. Отличаясь от них некоторой сложностью, он мог иметь преимущества в виде меньших габаритов, сниженных оборотов и сокращенной шумности. Тем не менее, конкурентной борьбы не вышло. Разработка А.Я. Деккера даже не смогла пройти весь цикл испытаний.
Возможно, по мере дальнейшего развития оригинальные воздушные винты смогли бы показать желаемые характеристики и найти применение в тех или иных проектах авиационной техники. Тем не менее, продолжение работ замедлялось в связи с различными проблемами и обстоятельствами, а в мае 1940 года проект был остановлен из-за нападения Германии. После этого необычная идея окончательно осталась без будущего. В дальнейшем в разных странах вновь прорабатывались перспективные конструкции воздушных винтов, но прямые аналоги системы Адриаана Яна Деккера не создавались.
По материалам:
https://oldmachinepress.com/
http://anyskin.tumblr.com/
http://hdekker.info/
http://strangernn.livejournal.com/
https://google.com/patents/US2186064
Как показывает статистика, в среднем только 20% "Антеев" осуществляли грузовые перевозки (среднерейсовая загрузка - 22,5 т). Остальные самолеты простаивали либо на них выполнялись тренировочные полеты. Лидерные машины не налетали даже 5000 ч. Таким, образом, значительный потенциал парка Ан-22 оказался востребованным не полностью.
В 1969-70 гг. ОКБ Антонова совместно с ЦАГИ, НИИ АС и другими институтами проводило НИР по созданию на базе Ан-22 межконтинентального авиационно-ракетного комплекса Ан-22Р. Самолет являлся летающей стартовой площадкой и оснащался тремя контейнерами с ракетами, установленными в фюзеляже вертикально.
Согласно решению комиссии Президиума СМ СССР по военно-промышленным вопросам от 15 марта 1967 г., разрабатывался авиационно-морской поисково-спасательный комплекс Ан-22ПС. "Антей" оснащался оборудованием для поиска в акваториях Мирового океана экипажей кораблей и самолетов, потерпевших бедствие, одним-двумя спасательными катерами с командой и средствами их парашютного десантирования.
В 1966 г. под обозначением Ан-22А прорабатывался вариант самолета со взлетной массой до 250 т и коммерческой нагрузкой 80 т. Планировалось усилить конструкцию и форсировать двигатели до 18000 э.л.с. По требованию военных на машине предусматривались бронирование кабины экипажа и пушечное вооружение в хвостовой части фюзеляжа. Дальнейшее развитие "Антея" шло под обозначением Ан-122. Эта машина предназначалась для перевозки груза массой до 120 т на дальность 2500 км.
Согласно Постановлению ЦК КПСС и СМ СССР от 26 октября 1965 г., в ОКБ Антонова на базе Ан-22 разрабатывался проект сверхдальнего маловысотного самолета противолодочной обороны с ядерной силовой установкой - Ан-22ПЛО. Его СУ включала разработанный под руководством А.П.Александрова малогабаринтый реактор с биозащитой, распределительный узел, систему трубопроводов и специальные ТВД конструкции Н.Д.Кузнецова. На взлете и посадке использовалось обычное топливо, а в полете работу СУ обеспечивал реактор. Двигатель должен был развивать максимальную мощность 13000 и 8900 э.л.с. соответственно. Расчетную продолжительность барражирования определили в 50 ч, а дальность полета - 27500 км. В рамках этой работы проводились исследования способов защиты экипажа от радиационного воздействия установленного на борту реактора. В 1970 г. Ан-22 №01-06 был оборудован точечным источником нейтронного излучения мощностью 3 кВт и многослойной защитной перегородкой. На этой машине Курлин выполнил 10 полетов с работающим источником. Позже, в августе 1972г., на самолете №01-07 установили небольшой атомный реактор в защитной свинцовой оболочке. Экипаж Самоварова и Горбика выполнил 23 полета в Семипалатинске, в ходе которых были получены необходимые данные по эффективности биозащиты.
При разработке "Антея" рассматривался и пассажирский вариант самолета. Фюзеляж предполагали удлинить на 15 м и организовать в нем двухпалубный салон на 724 пассажира с кинозалом, баром, комнатой матери и ребенка и спальными купе. Хотя этот вариант так и остался на бумаге, но один из "Антеев" 81-го ВТАП осенью 1972 г. выполнил "пассажирский" рейс: эвакуируя советский персонал из Египта, он взял на борт 700 человек (именно столько, сколько и обещал Антонов на парижском салоне 1965 г.).
ТЕОРИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
Введение
Воздушный винт преобразует мощность вращения двигателя в поступательную силу тяги. Воздушный винт отбрасывает назад воздушную массу, при этом создается реактивная сила, толкающая самолёт вперёд. Тяга винта равна произведению массы воздуха на ускорение, приданное ей винтом.
Определения
Лопасть воздушного винта – это несущая поверхность, похожая на крыло самолёта. Такие определения, как хорда, кривизна профиля, относительная толщина профиля, относительное удлинение аналогичны определениям в отношении крыла самолёта.
Угол установки лопастей винта ( blade angle или pitch )
Это угол между хордой лопасти и плоскостью вращения. Угол установки уменьшается от корня лопасти к законцовке, потому что окружная скорость сечения лопасти растёт от комля к законцовке. Угол установки лопасти измеряют в сечении, расположенном в 75% от её длины, отсчитывая от комля.
Шаг винта ( geometric pitch )
Это расстояние, которое бы прошёл винт за один полный оборот, если бы двигался через воздух с углом установки лопастей. (Можно представить шаг винта как движение болта, закручивающегося по резьбе, но дальше такой аналогией мы пользоваться не будем)
Геометрическая крутка лопасти ( blade twist )
Сечения лопасти, расположенные ближе к её законцовке, за один оборот проходят больший путь. Чтобы шаг винта был одинаковый для всех сечений лопасти, угол установки сечений постепенно уменьшается от комля к законцовке.
Угол установки лопастей на многих винтах может меняться. Когда угол установки лопастей маленький, говорят, что винт на режиме малого шага (fine pitch), и когда, наоборот – на режиме большого шага (coarse pitch).
Поступь винта (effective pitch или advance per revolution)
В полёте, винт не проходит расстояние, равное шагу винта, за один оборот. Реальное расстояние, проходимое винтом, зависит от скорости самолёта и называется поступью винта.
Скольжение винта ( slip )
Разница между шагом и поступью винта называется скольжением винта.
Угол наклона винтовой линии ( helix angle )
Это угол между реальной траекторией сечения воздушного винта и плоскостью вращения.
Угол атаки(α)
Траектория движения сечения лопасти в воздухе определяет направление набегающего потока воздуха. Угол между хордой сечения лопасти и направлением набегающего потока является углом атаки сечения лопасти. На угол атаки влияет окружная скорость сечения (скорость вращения винта) и истинная скорость самолёта.
Воздушный винт фиксированного шага ( fixed pitch propeller )
На рисунках показана работа воздушного винта фиксированного шага при изменении условий полёта. Увеличение истинной скорости самолёта при неизменной скорости вращения винта (окружной скорости сечения) уменьшает угол атаки винта. Увеличение скорости вращения винта на постоянной истинной скорости полёта увеличивает угол атаки винта.
Аэродинамические силы, возникающие на воздушном винте
Лопасть винта представляет собой несущую поверхность, похожую на крыло самолёта. Когда она движется через воздух на некотором угле атаки, то на ней создаются аэродинамические силы так же, как и на крыле. Между поверхностями лопасти возникает перепад давления. Та поверхность лопасти, где создаётся большее давление, называется рабочей поверхностью лопасти (pressure face или thrust face). Когда винт создаёт прямую тягу, то рабочей является задняя (плоская) поверхность лопасти. Перепад давлений создаёт полную аэродинамическую силу, которую можно разложить на две составляющие, тягу и силу сопротивления вращению.
Тяга воздушного винта
Тяга - это компонент полной аэродинамической силы, перпендикулярный плоскости вращения. Сила тяги неравномерно создаётся по длине лопасти. Она минимальна на законцовке лопасти, где перепад давления между поверхностями исчезает, также уменьшается в комле из-за малой окружной скорости. Тяга создаёт изгибающий момент на каждой лопасти, стремясь погнуть их законцовками вперёд. (Сила равная и противоположная по направлению тяге винта отбрасывает воздух назад.)
Момент сопротивления вращению
Сила сопротивления вращению винта на плече от оси вращения до точки приложения полной аэродинамической силы создаёт момент сопротивления вращению. Равный по величине и противоположный по направлению момент воздействует на самолёт, стремясь повернуть его относительно продольной оси. Также момент сопротивления вращению создаёт изгибающие моменты на лопастях воздушного винта, стремясь согнуть их против направления вращения.
Центробежный скручивающий момент лопасти ( centrifugal twisting moment )
Боковые составляющие центробежных сил «А» и «В» создают момент относительно оси изменения угла установки лопасти, стремясь уменьшить шаг винта.
Аэродинамический скручивающий момент лопасти ( aerodynamic twisting moment )
Поскольку центр давления расположен впереди оси изменения угла установки лопасти, то полная аэродинамическая сила создаёт момент, стремящийся увеличить шаг винта.
Аэродинамический момент противодействует центробежному скручивающему моменту, но слабее его.
Коэффициент полезного действия воздушного винта
Коэффициент полезного действия винта определяется отношением тяговой мощности и мощности, подведённой к винту от двигателя. Тяговая мощность винта определяется произведением тяги винта на истинную скорость самолёта, а мощность двигателя – произведением крутящего момента двигателя на угловую скорость вращения винта.
к. п. д. винта = тяговая мощность / мощность двигателя
Зависимость к. п. д. винта от скорости полёта
Выше было показано, что при увеличении скорости полёта угол атаки лопастей винта фиксированного шага уменьшается. Это приводит к уменьшению тяги винта. На некоторой скорости этот угол уменьшится настолько, что тяга винта уменьшится до нуля. Это значит, что к. п. д. винта тоже станет равным нулю.
Для воздушного винта фиксированного шага существует только одна скорость при которой лопасти будут обтекаться под наиболее выгодным углом атаки и к. п. д. винта будет максимальным. (при постоянной угловой скорости вращения)
При дальнейшем уменьшении скорости самолёта угол атаки лопастей увеличивается. Тяга винта увеличивается, но произведение тяги на скорость (тяговая мощность) начинают падать. На нулевой скорости тяга винта максимальна, но винт не производит полезной работы, поэтому его к. п. д. снова равен нулю.
Коэффициент полезного действия винта фиксированного шага сильно изменяется при изменении скорости полёта.
Как видно из рисунка, используя винт изменяемого шага (угла установки лопастей), можно добиться его эффективной работы в широком диапазоне скоростей полёта.
Винт фиксированного шага с возможностью изменения угла установки лопастей в ступице при обслуживании на земле.
Воздушный винт с возможностью выбора трёх фиксированных углов установки лопастей в полёте. Малый шаг винта устанавливается для взлёта, набора высоты и посадки. При крейсерском полёте винт устанавливается в положение большого шага. При отказе двигателя винт устанавливается во флюгерное положение.
Воздушный винт изменяемого шага (constant speed propellers).
На современных самолётах устанавливаются винты, которые автоматически выдерживают заданную частоту вращения, изменяя угол установки лопастей. Это позволяет сохранять высокий к. п. д. в широком диапазоне скоростей, улучшить характеристики взлёта и набора высоты и обеспечить экономию топлива в крейсерском полёте.
Воздушный винт изменяемого шага
На рисунке изображен типичный пульт управления винтом и двигателем на маленьких поршневых самолётах. Все рычаги находятся в положении для взлёта (крайнем переднем).
Регулятор скорости вращения винта настроен на максимальную скорость.
Перемещение среднего рычага назад приведёт к уменьшению скорости вращения винта.
Обратите внимание: Можно провести аналогию между рычагом управления скоростью вращения винта и рычагом коробки передач в автомобиле.
Максимальная скорость винта – первая передача в машине.
Минимальная скорость винта – пятая передача в машине.
На рисунке показаны условия работы воздушного винта в начале разбега по ВПП. Обороты винта максимальны, поступательная скорость мала. Угол атаки лопастей оптимален, винт работает с максимальным к. п. д. По мере роста скорости угол атаки лопастей будет уменьшаться. Это приведет к уменьшению тяги и силы сопротивления вращению. При постоянной мощности двигателя обороты двигателя начнут возрастать. Регулятор поддержания постоянной скорости вращения винта начнёт увеличивать угол установки лопастей винта, чтобы не допустить увеличения оборотов винта. Таким образом, угол атаки лопастей всё время будет удерживаться на оптимальных значениях.
На рисунке показаны условия работы винта при полёте на большой скорости. По мере роста истинной скорости полёта регулятор поддержания оборотов винта постоянно увеличивает угол установки лопастей, поддерживая постоянный угол атаки.
Рисунок показывает работу винта в крейсерском полёте. Оптимальные режимы мощности и скорости вращения винта указываются в руководстве по лётной эксплуатации. Обычно рекомендуется сначала уменьшить мощность двигателя, а затем уменьшить скорость вращения винта.
В течение всего полёта регулятор поддержания постоянных оборотов управляет углом установки лопастей винта, чтобы сохранить заданные обороты. По крайней мере, пытается этого достичь.
Если крутящий момент от двигателя пропадает (режим малого газа или отказ), то регулятор, стремясь поддержать обороты, уменьшает угол установки лопастей на минимум. Угол атаки лопастей становится отрицательным. Теперь полная аэродинамическая сила на винте направлена в противоположную сторону. Её можно разложить на отрицательную тягу винта и силу, стремящуюся раскрутить винт. Теперь воздушный винт будет крутить двигатель.
На двухмоторном самолёте при отказе одного двигателя, если винт отказавшего двигателя авторотирует, то очень сильно ухудшаются характеристики набора высоты, дальность полёта и затрудняется управление самолётом из-за дополнительного разворачивающего момента. Также вращение отказавшего двигателя может привести к его заклинению или пожару.
Флюгирование
При повороте лопастей винта на угол атаки нулевой подъёмной силы исчезает сила вращающая винт и винт останавливается. Лобовое сопротивление (отрицательная тяга) винта уменьшается до минимума. Это значительно повышает характеристики набора высоты (при отказе одного из двух двигателей), поскольку градиент набора высоты зависит от разности между тягой двигателей и лобовым сопротивлением.
Также флюгирование лопастей винта уменьшает разворачивающий момент от отказавшего двигателя. Это улучшает управляемость самолёта и понижает минимальную эволютивную скорость при отказе двигателя V MC .
На однодвигательных самолётах флюгирование винта не предусматривается. Тем не менее, при отказе двигателя существует возможность существенно уменьшить отрицательную тягу винта. Для этого регулятор скорости вращения винта переводят на минимальную скорость. При этом винт будет установлен в положение максимального шага.
Это позволяет увеличить аэродинамическое качество самолёта, что уменьшит градиент потери высоты на планировании с отказавшим двигателем. Также уменьшатся обороты двигателя из-за уменьшения силы стремящейся раскрутить винт.
Если перевести регулятор оборотов винта на увеличение скорости вращения, то эффект будет противоположный.
Отбор мощности от двигателя на винт
Воздушный винт должен быть в состоянии воспринять всю мощность двигателя.
Также он должен работать с максимальным к. п. д. во всём эксплуатационном диапазоне самолёта. Критичным фактором является скорость обтекания законцовок лопастей. Если она приближается к скорости звука, то явления, связанные со сжимаемостью воздуха, приводят к уменьшению тяги и увеличению момента сопротивления вращению. Это значительно уменьшает к. п. д. винта и увеличивает его шумность.
Ограничение скорости обтекания законцовок лопастей накладывает ограничения на диаметр и угловую скорость вращения винта, а также на истинную скорость полёта.
Диаметр винта также ограничивается требованиями минимального зазора до поверхности аэродрома и фюзеляжа самолёта, а также необходимостью установить двигатель как можно ближе к фюзеляжу, чтобы уменьшить разворачивающий момент в случае его отказа. В случае если двигатель стоит далеко от продольной оси самолёта, то необходимо увеличивать вертикальное оперение, чтобы обеспечить балансировку самолёта при отказе двигателя на малой скорости. Всё вышесказанное показывает, что обеспечить, чтобы винт потреблял всю располагаемую мощность двигателя, одним только увеличением его диаметра нецелесообразно. Часто этого добиваются увеличением коэффициента заполнения воздушного винта.
Коэффициент заполнения воздушного винта ( solidity )
Это отношение фронтальной площади всех лопастей к площади ометаемой винтом.
Методы повышения коэффициента заполнения воздушного винта:
Увеличение хорды лопастей. Это приводит к уменьшению относительного удлинения лопасти, что приводит к снижению к. п. д.
Увеличение количества лопастей. Отбор мощности от двигателя увеличивается без увеличения скорости обтекания законцовок и уменьшения относительного удлинения лопастей. Увеличение числа лопастей более определённого количества (5 или 6) приводит к уменьшению к. п. д. винта.
Тяга винта создаётся отбрасыванием массы воздуха назад. Если чрезмерно увеличивать коэффициент заполнения воздушного винта, то будет уменьшаться масса воздуха, который может получить ускорение при прохождении через винт. Для эффективного увеличения числа лопастей используют соосные винты, вращающиеся на одной оси в противоположных направлениях.
Моменты и силы, создаваемые воздушным винтом
Винт создаёт моменты по всем трем осям самолёта. Причины возникновения этих моментов различны:
кренящий момент реакции винта
гироскопический момент
спиральный момент от спутной струи
момент, вызванный несимметричным обтеканием винта
Примечание: Большинство современных двигателей оснащено воздушными винтами вращающимися по часовой стрелке (если смотреть сзади). На некоторых двухмоторных самолётах на правый двигатель устанавливают винт, вращающийся против часовой стрелки, для устранения недостатков, связанных с появлением критического двигателя (см. главу 12).
Кренящий момент реакции винта
Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то на самолёт действует равный по величине и противоположный по направлению момент.
При разбеге самолёта левый пневматик будет нести большую нагрузку, что создаст большее сопротивление качению. Поэтому самолёт будет иметь тенденцию к развороту влево. В полёте самолёт будет иметь тенденцию накрениться влево. Наиболее заметен этот момент будет при максимальной тяге винта и малой скорости полёта (малая эффективность рулей).
Кренящий момент реакции винта практически отсутствует у соосных винтов, вращающихся в противоположные стороны.
В оригинальном тексте написано, что у двухдвигательных самолётов с винтами, вращающимися в одну и ту же сторону, кренящий момент реакции винтов отсутствует до тех пор, пока не откажет один из двигателей. Это неверно. В теоретической механике сказано, что суммарный момент, действующий на твёрдое тело, равен алгебраической сумме моментов, лежащих в одной плоскости. То есть момент реакции винтов будет действовать на самолёт, не зависимо от количества работающих двигателей, и если все винты вращаются в одну и ту же сторону, то моменты будут складываться.
Гироскопический момент
Вращающийся воздушный винт имеет свойства гироскопа – стремится сохранить положение оси вращения в пространстве, а в случае приложения внешней силы – появляется гироскопический момент, стремящийся развернуть ось гироскопа в направлении, отличающемся на 90° от направления вынужденного вращения.
Направление действия гироскопического момента удобно определить, воспользовавшись следующим мнемоническим правилом. Представьте себя сидящим в кабине самолёта. Плоскость вращения двигателя (винта) изобразим окружностью, а направление вращения – стрелками по окружности.
Если из центра окружности провести одну стрелку в направлении движения носа самолёта, то вторая стрелка, направленная по касательной к окружности в направлении вращения двигателя (винта), покажет направление дополнительного (прецессионного) движения носа самолёта, вызванного действием гироскопического момента двигателя (винта).
Гироскопический момент появляется только при вращении самолёта по тангажу и по курсу.
У соосных винтов гироскопический момент отсутствует.
Спиральный момент от спутной струи
Воздушный винт отбрасывает назад закрученную струю воздуха, которая вращаясь вокруг фюзеляжа, изменяет обтекание киля. Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то струя обтекает киль под углом слева, вызывая на нем боковую силу вправо.
Спиральный момент от спутной струи винта создаёт момент рыскания влево. Величина момента зависит от режима работы двигателя и оборотов воздушного винта.
Уменьшить спиральный момент можно с помощью:
используя соосные винты
установкой фиксированного компенсатора на руль направления
установкой двигателя с небольшим отворотом оси винта вправо
установкой киля под небольшим углом влево
Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта
В полёте ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево.
Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки.
Влияние атмосферных условий
Изменения в атмосферном давлении и/или температуре приводят к изменению плотности воздуха.
Это влияет на:
мощность двигателя при неизменном положении дроссельной заслонки
момент сопротивления вращению винта.
Увеличение плотности воздуха приводит к увеличению обоих этих параметров, но мощность двигателя увеличивается в большей степени.
Влияние плотности воздуха на работу двигателя с винтом фиксированного шага
Увеличение плотности приводит к росту оборотов винта и наоборот.
Влияние плотности воздуха на момент сопротивления вращению (потребный крутящий момент двигателя) винта фиксированного шага
Увеличение плотности приводит к росту момента сопротивления вращению винта и наоборот.
