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TRANSPORTE PERSONAL: TERRESTRE, ACUÁTICO, AÉREO
Helicóptero AV-1. transporte personal
Directorio / Transporte personal: terrestre, acuático, aéreo Estimado entusiasta de la aviación! Este artículo puede serle útil en el desarrollo y construcción de un helicóptero ligero. El helicóptero propuesto (AV-1) es el fruto de una larga pasión por la aviación, el resultado de un trabajo persistente y minucioso durante cinco años, de los cuales dos años se dedicaron a la construcción y el resto a pruebas, puesta a punto, dominio del pilotaje, reparación, modernización. El diseño cumple con varios requisitos importantes para un avión en el uso de un aficionado: la capacidad de almacenamiento en una habitación pequeña; transporte al lugar de los vuelos, en automóvil, motocicleta e incluso manualmente; montaje en 18-20 minutos por una sola persona (utilizando sólo dos llaves). El problema de la seguridad en caso de fallo de motor y transmisión en vuelo se ha resuelto de forma bastante fiable. El diseño del rotor principal (HB) y el sistema de control tiene características que "perdonan" errores de pilotaje como el sobrepeso del rotor principal y las sobrecargas. Por supuesto, el diseño del helicóptero se vio significativamente afectado por las condiciones de hacinamiento en las que se fabricó, así como por las dificultades con los materiales y el equipo, por lo que está claro que la máquina está lejos de ser ideal. Pero estoy feliz con eso. Para empezar, daré ejemplos de cálculos de los principales elementos estructurales. Entonces, el diámetro del rotor principal AB-1 se elige a partir de la condición de carga por unidad de área del disco barrido (Ps) dentro de 6-7 kg/m2. Este valor se tomó en base a los resultados del procesamiento de datos estadísticos de giroplanos ligeros en vuelo, helicópteros con una carga específica (p) en el rango de 6-8 kg/hp. En mi caso, en base a la masa de vuelo estimada (t) del aparato 180-200 kg (peso en vacío 100-120 kg) y teniendo un motor con una potencia (N) de 34 hp, de los cuales dos iban a gastarse en la tracción del rotor de cola, obtenemos los siguientes valores de la carga por unidad de potencia, el área del disco barrido HB (Som) y el diámetro de HB (D):
El diámetro HB de 6,04 m está muy cerca del tamaño HB de un autogiro Bensen con un motor de 40 hp. y un peso de 190 kg. Con tales datos iniciales, había esperanza de que el helicóptero volase. Pero para que vuele como un vehículo, es necesario que el empuje de HB (T) sea significativamente mayor que la masa del aparato (al menos 1,4 veces). Esto proporciona suficiente velocidad vertical de ascenso y altitud de vuelo. Ahora calculemos la T máxima en el modo de vuelo estacionario en una atmósfera normal (760 mm Hg, 18 °C). En este caso se utilizó la fórmula empírica: T \u33,25d (2N Dn) 3/XNUMX, donde: n=0,6...0,7 - coeficiente. Como resultado, el empuje resultó ser de 244,8 kg, muy cercano al obtenido realmente durante las pruebas del AV-1. (Basado en la relación nombrada 1,4, el peso de vuelo del aparato no debe exceder los 175 kg.) La descripción del diseño del helicóptero comenzará con el llamado fuselaje. El compartimiento de la cabina tiene una estructura de armadura en forma de pirámide tetraédrica, cuyo borde vertical (el marco principal) separa el compartimiento de la cabina del motor. Está hecho de tubos de duraluminio (D16T): vertical e inferior - 40x1,5 mm, y frontal - 30x1,5 mm. Encima de la cabina hay un elemento de conexión de potencia, un marco para la caja de cambios principal, en la parte inferior, un travesaño horizontal del soporte del motor. El segundo travesaño de potencia (a nivel del respaldo del asiento) está formado por un tubo de duramadre de sección rectangular 30x25x1,5 mm; sirve para fijar los conjuntos de caja de cambios intermedia, respaldo y tren de aterrizaje principal.
El "compartimento" del motor en forma de pirámide triédrica está hecho de tubos de acero (acero 20) con una sección de 30x30x1,2 mm. El borde inferior tiene puntos de fijación para el motor, las abrazaderas del tren de aterrizaje y el brazo de cola. El botalón de cola está remachado de una lámina de duraluminio de 1 mm de espesor. Consta de tres partes: dos conos (diámetro en la parte superior 57 mm) y un cilindro entre ellos (diámetro 130 mm) con nervaduras externas, que sirven como larguerillo de refuerzo y zona para remachar los elementos de la piel. Los marcos de refuerzo están remachados en los lugares donde se unen los tirantes. ny motor con un volumen de trabajo de 750 cm3. El cárter y el cigüeñal están tomados de la motocicleta K-750; pistones, cilindros y cabezas - desde MT-10. El cárter está aligerado y adaptado para trabajar con disposición de eje vertical (se ha cambiado el sistema de aceite). Es posible utilizar otros motores, cuyo peso bruto no supere los 40 kg y la potencia no sea inferior a 35 hp. De particular interés es el sistema de estabilización del aparato. El AB-1 utiliza un sistema tipo BELL, pero con un mayor coeficiente de estabilización (0,85), lo que elimina casi por completo la preocupación del piloto por equilibrar el helicóptero en el modo de vuelo estacionario. Además, limita la velocidad angular en los giros, protegiendo al helicóptero de sobrecargas. Al mismo tiempo, la controlabilidad está asegurada debido a la forma de las cargas en forma de discos planos (seleccionados experimentalmente). La longitud de las varillas se elige a partir de la condición de que las cargas en forma de discos planos se "asienten" bien en el flujo. Por lo tanto, se eligió que la velocidad circunferencial de las cargas fuera de 70 m/s, y a 600 rpm esto corresponde a una longitud (radio) de la barra cercana a 1 m. La masa de la carga se eligió a partir de la condición de que cuando el plano de rotación de las barras estabilizadoras se desvía del plano HB en 1,5°-2°, debe presentarse un momento que, al transmitirse a través del mecanismo de palanca a la bisagra axial de la hoja HB, será igual (o mayor) a la fricción momento en el cojinete ah de la articulación axial bajo la carga axial de trabajo. La caja de cambios principal está diseñada para transmitir par al eje del rotor principal. Por dentro pasa la varilla del mecanismo de control de paso común HB. Termina con una horquilla que, con sus salientes laterales, se acopla con las horquillas de los casquillos de las palas, girando el mecanismo del sistema de estabilización. Cuando la varilla se mueve verticalmente (desde el mango) usando las palancas del mecanismo de paso colectivo, el ángulo de instalación de la pala de la hélice (y, en consecuencia, su paso) cambia. Se instala un plato cíclico (AS) en la cubierta superior de la carcasa de la caja de engranajes, que sirve para cambiar la posición del plano (en realidad, un cono) de rotación del HB en relación con el eje vertical del aparato (el eje del eje principal de la caja de cambios) debido al cambio en el ángulo de ataque de las palas de signo opuesto: el ángulo de ataque de la pala disminuye, al subir aumenta. En este caso, hay un cambio en la magnitud y dirección de la componente horizontal del vector de empuje HB. La caja de engranajes es desmontable a lo largo del plano perpendicular al eje del eje, soldada de chapa de acero 30KhGSA de 1,3 mm de espesor. Los asientos de los cojinetes también se mecanizan con acero 30KhGSA, se sueldan en las cubiertas, después de lo cual se lleva a cabo un tratamiento térmico ("endurecimiento", alto revenido) para aliviar la tensión y aumentar la resistencia. Luego se fresaron las bridas, se ensamblaron las tapas y se taladraron los asientos de los rodamientos y agujeros en una máquina de coordenadas. La cubierta inferior está hecha de aleación D16T. El eje principal es de acero 40HNMA tratado térmicamente a Gvr -110 kg/mm2. El diámetro del eje es de -45 mm, el diámetro del orificio interior es de 39 mm, el grosor de la pared en el área de las estrías del manguito HB es de 5 mm. Las superficies del eje están pulidas, las estrías y los asientos de los cojinetes están enchapados en cobre. El piñón conducido y el piñón-árbol impulsor son de acero 14KhGSN2MA-Sh y tienen 47 y 12 dientes, respectivamente, con módulo de 3 y ángulo de engrane de 28°. Los dientes se cementan a una profundidad de 0,8-1,2 mm y se tratan térmicamente hasta una dureza de HRC = 59-61. El anillo exterior del plato cíclico es desmontable (como un collar), hecho de aleación D16T (fresado a partir de una lámina de 35 mm de espesor), y el anillo interior y el cardán están hechos de acero 30KhGSA. Cojinetes cardánicos - 8001 8Yu. Cojinete de placa oscilante - 76-112820B. El módulo del rotor de cola (PB) está ensamblado sobre un vidrio, conectado telescópicamente a la punta del brazo de cola. Él puede moverse por El tren de aterrizaje delantero está orientado libremente, sin amortiguación, tiene una rueda de 250x50 mm (de patines). El tren de aterrizaje principal está hecho de tubos de acero y equipado con amortiguadores neumáticos. Ruedas de los soportes principales: 300x100 mm con una banda de rodadura cortada (del mapa). Este "corte de pelo" se lleva a cabo para reducir el peso, mejorar la aerodinámica y facilitar el movimiento "derrape" sobre la hierba durante el entrenamiento o durante aterrizajes fallidos. Los tirantes inferiores del chasis están fabricados con tubos de acero de 20x1 mm. El helicóptero está equipado con un motor bóxer de dos cilindros y cuatro tiempos con un volumen de trabajo de 750 cm3. El cárter y el cigüeñal están tomados de la motocicleta K-750; pistones, cilindros y cabezas - desde MT-10. El cárter está aligerado y adaptado para trabajar con disposición de eje vertical (se ha cambiado el sistema de aceite). Es posible utilizar otros motores, cuyo peso bruto no supere los 40 kg y la potencia no sea inferior a 35 hp. De particular interés es el sistema de estabilización del aparato. El AB-1 utiliza un sistema tipo BELL, pero con un mayor coeficiente de estabilización (0,85), lo que elimina casi por completo la preocupación del piloto por equilibrar el helicóptero en el modo de vuelo estacionario. Además, limita la velocidad angular en los giros, protegiendo al helicóptero de sobrecargas. Al mismo tiempo, la controlabilidad está asegurada debido a la forma de las cargas en forma de discos planos (seleccionados experimentalmente). La longitud de las varillas se elige a partir de la condición de que las cargas en forma de discos planos se "asienten" bien en el flujo. Por lo tanto, se eligió que la velocidad circunferencial de las cargas fuera de 70 m/s, y a 600 rpm esto corresponde a una longitud (radio) de la barra cercana a 1 m. La masa de la carga se eligió a partir de la condición de que cuando el plano de rotación de las barras estabilizadoras se desvía del plano HB en 1,5°-2°, debe presentarse un momento que, al transmitirse a través del mecanismo de palanca a la bisagra axial de la hoja HB, será igual (o mayor) a la fricción momento en el cojinete ah de la articulación axial bajo la carga axial de trabajo. La caja de cambios principal está diseñada para transmitir par al eje del rotor principal. Por dentro pasa la varilla del mecanismo de control de paso común HB. Termina con una horquilla que, con sus salientes laterales, se acopla con las horquillas de los casquillos de las palas, girando el mecanismo del sistema de estabilización. Cuando la varilla se mueve verticalmente (desde el mango) usando las palancas del mecanismo de paso colectivo, el ángulo de instalación de la pala de la hélice (y, en consecuencia, su paso) cambia. Se instala un plato cíclico (AS) en la cubierta superior de la carcasa de la caja de engranajes, que sirve para cambiar la posición del plano (en realidad, un cono) de rotación del HB en relación con el eje vertical del aparato (el eje del eje principal de la caja de cambios) debido al cambio en el ángulo de ataque de las palas de signo opuesto: el ángulo de ataque de la pala disminuye, al subir aumenta. En este caso, hay un cambio en la magnitud y dirección de la componente horizontal del vector de empuje HB. La caja de engranajes es desmontable a lo largo del plano perpendicular al eje del eje, soldada de chapa de acero 30KhGSA de 1,3 mm de espesor. Los asientos de los cojinetes también se mecanizan con acero 30KhGSA, se sueldan en las cubiertas, después de lo cual se lleva a cabo un tratamiento térmico ("endurecimiento", alto revenido) para aliviar la tensión y aumentar la resistencia. Luego se fresaron las bridas, se ensamblaron las tapas y se taladraron los asientos de los rodamientos y agujeros en una máquina de coordenadas. La cubierta inferior está hecha de aleación D16T. El eje principal es de acero 40HNMA tratado térmicamente a Gvr -110 kg/mm2. El diámetro del eje es de -45 mm, el diámetro del orificio interior es de 39 mm, el grosor de la pared en el área de las estrías del manguito HB es de 5 mm. Las superficies del eje están pulidas, las estrías y los asientos de los cojinetes están enchapados en cobre. El piñón conducido y el piñón-árbol impulsor son de acero 14KhGSN2MA-Sh y tienen 47 y 12 dientes, respectivamente, con módulo de 3 y ángulo de engrane de 28°. Los dientes se cementan a una profundidad de 0,8-1,2 mm y se tratan térmicamente hasta una dureza de HRC = 59-61. El anillo exterior del plato cíclico es desmontable (como un collar), hecho de aleación D16T (fresado a partir de una lámina de 35 mm de espesor), y el anillo interior y el cardán están hechos de acero 30KhGSA. Cojinetes cardánicos - 8001 8Yu. Cojinete de placa oscilante - 76-112820B. El módulo del rotor de cola (PB) está ensamblado sobre un vidrio, conectado telescópicamente a la punta del brazo de cola. Se puede sacar para tensar la correa de transmisión. En este caso, sin embargo, es necesario reconstruir la longitud de los cables de control del rotor de cola. Se acciona desde una caja de cambios intermedia mediante una cadena y dos transmisiones por correa. El tornillo de cola es articulado (tiene bisagras combinadas horizontales y axiales), gira de adelante hacia atrás. Su diámetro es de 1,2 m, el número de revoluciones por minuto es de 2500. El buje RV consta de un travesaño y dos copas remachadas con cuchillas. Dos casquillos de bronce sirven de cojinetes axiales, y la rosca M24x1,5 percibe la fuerza centrífuga. El sellado se realiza mediante un anillo de goma, que se fija con una arandela y un anillo de resorte. Las correas de las bisagras axiales están desplazadas del eje de la bisagra horizontal (HH) en 30°. Lubricación: aceite MS-20, vertido en un vaso antes del montaje. La bisagra horizontal está montada sobre casquillos de bronce y un perno cementado, que se fija en la horquilla GSh de rotación. Al ensamblar las palas con un vaso, se prestó especial atención a la alineación de sus ejes. Ahora un poco sobre la elección de los principales parámetros de las palas de la hélice. La cuerda aerodinámica media (MAC) de la pala se calcula a partir de la condición de que el factor de llenado del disco barrido (K) estará en el rango de 0,025-0,035 (el valor menor es para velocidades circunferenciales altas, 200-220 m/s; y el valor mayor es para velocidades circunferenciales más pequeñas, 170-190 m/s), según la fórmula: bmín = (SHB K)/DHB ; donde bmin es el MAR mínimo. Principales características técnicas:
En el helicóptero AV-1 para el rotor principal, el valor del coeficiente K = 0,028, ya que las velocidades circunferenciales se seleccionan dentro del rango de 190-210 m/s. En este caso, el SAR se toma igual a 140 mm. En un avión, es deseable tener todo muy ligero. Pero en relación a HB, podemos hablar de la masa mínima admisible, ya que la masa del álabe determina la fuerza centrífuga necesaria para crear un cono de giro del rotor principal. Es deseable que este cono esté dentro de 1°-3°. Es casi imposible e incluso indeseable fabricar palas con una masa de 2-3 kg, ya que la reserva de energía cinética será pequeña durante un aterrizaje de emergencia en autorrotación con detonación, así como al cambiar al modo de autorrotación desde un vuelo a motor. Una masa de 7-8 kg es buena para una emergencia, pero a velocidades máximas, el HB generará una fuerza centrífuga significativa. En AV-1, se utiliza una cuchilla que pesa en el rango de 4,6-5,2 kg, lo que proporciona una carga máxima de fuerzas centrífugas de hasta 3600 kgf. La resistencia del manguito HB está diseñada para esta carga (con un margen de seguridad de 7 veces); su masa es de 4,5 kg. La forma y el giro de la hoja propuestos son el resultado de experimentos con hojas de varias formas, giros y perfiles. Las palas HB deben satisfacer dos requisitos contradictorios: buena autorrotación (es decir, proporcionar una baja tasa de descenso en autorrotación en caso de falla del motor) y utilizar la potencia del motor con la máxima eficiencia en un vuelo a motor (para tasa de ascenso, máxima velocidad y economía). Considere opciones para palas para un helicóptero y para un autogiro. Un buen autogiro tiene un giro. fijo, es decir, el ángulo de instalación de la hoja en la punta es negativo (-5°...-8°), y la sección final es positiva (+2°). El perfil es plano-convexo o en forma de S. Actualmente, el perfil NACA 8-H-12 (en forma de S, 12 por ciento) se usa ampliamente. La forma de la pala en planta es rectangular. Un buen helicóptero tiene un giro recto, es decir, la culata tiene un ángulo de instalación positivo (+8°...+12°) en relación con la sección final. Perfil NACA 23012, cuyo espesor relativo al final es del 12% y en el extremo: 15%. La forma de la pala en planta es trapezoidal, con un estrechamiento de 2,4-2,7. La forma de la pala en planta se calculó por el método de los elementos finitos para el caso de vuelo a una velocidad de 110 km/h y un margen de sobrecarga para la pala "retrocediendo" - 1,4. A una velocidad de HB 580 rpm, un diámetro de HB de 6 m y un peso de vuelo de 200 kg, la hoja tenía 80 mm de ancho en el extremo y 270 mm en la culata (estrechamiento 3,4). El ancho extra de la pala en el extremo conduce a un consumo extra de potencia del motor para vencer la resistencia turbulenta del perfil, por lo que es beneficioso para minimizar la superficie mojada de las secciones que operan a altas velocidades. Por otro lado, para tener una reserva de sustentación en los extremos de la pala cuando la NV está cargada o cuando se cambia a autorrotación (los errores de pilotaje más probables de un piloto aficionado), es necesario tener palas algo más anchas que las calculadas. Adopté el estrechamiento de la hoja 2, la cuerda de raíz es de 220 mm y la cuerda final es de 110 mm. Para reconciliar un helicóptero con un autogiro en un aparato, era necesario utilizar palas sin torsión. Más difícil con perfiles. La parte final de la pala (Rrel = 1 - 0,73) tiene un perfil NACA 23012 con un espesor relativo del 12%. En la sección Rrel = 0,73-0,5 - un perfil de transición de NACA 23012 a NACA 8-H-12, ' solo sin cola en forma de S. En la sección Rrel = 0,5-0,1, el perfil K|ACA 8-N-12 de espesor relativo variable: 12% para Rrel = 0,5 y 15% para Rrel = 0,3-0,1. Tal hoja tira bien en todos los modos de vuelo. En autorrotación, la velocidad de descenso del helicóptero fue de 2,5 m/s. Durante la prueba, se realizó un aterrizaje en autorrotación sin socavar, el frenado se realizó por cabeceo y la velocidad vertical se extinguió a cero, y la carrera fue de solo unos 3 m. En un helicóptero ultraligero, en caso de fallo de motor, se desconecta la transmisión RV, ya que su accionamiento requiere energía generada por el HC autorrotante, lo que empeoraría la autorrotación y aumentaría la velocidad de descenso. Por lo tanto, para RV no hay necesidad de un perfil de pala simétrico. Lo mejor es elegir un tipo plano-convexo R3. Para aumentar la eficiencia, es deseable usar un giro (8 °). Además, para aumentar la eficiencia de la hélice, es deseable tener una forma de pala trapezoidal en términos de estrechamiento igual a 2, y el factor de llenado del disco de barrido en el rango de 0,08-0,06. También da buenos resultados el perfil NACA 64A610-a-0,4 con un espesor relativo del 12%. Las cuchillas se pueden fabricar utilizando varias tecnologías. Por ejemplo, de una tabla de pino macizo. Como espacios en blanco, se seleccionan dos tablas de pino de densidad media, sin nudos y de grano recto, cortadas de modo que las capas densas miren hacia el futuro borde de ataque y formen un ángulo de 45 °. El tablero se perfila según una plantilla reducida por el espesor del encolado y pintura de fibra de vidrio (0,8-1,0 mm). Después del acabado, se aclara la parte de la cola de la pieza. Para ello, se marcan la parte mástil y el borde de fuga. La parte mástil en la culata es el 45% del acorde, y al final, el 20%. A continuación, se perforan agujeros con un diámetro igual a la distancia desde el borde de salida hasta el larguero en incrementos de 40-50 mm. Después de eso, los agujeros se rellenan con espuma rígida de PS o PVC, se rectifican al ras y se pegan con fibra de vidrio. La parte trasera generalmente se pega en varias capas, con una transición suave al lienzo principal. Otra forma de hacer cuchillas es a partir de varias aulagas. La pieza de trabajo está pegada con tres o cuatro aulagas, que pueden ser cintas sólidas o pegadas con dos tiras de diferente densidad. Es deseable hacer la parte mástil de la aulaga de abedul o alerce. Primero, un tocho de aulaga con un espesor tres veces mayor que el acabado se pega a partir de dos listones. Después de eso, se corta en dos y se procesa al grosor deseado. Al mismo tiempo, la parte mástil de diferentes hojas de tojo está hecha de diferentes anchos (de 10 a 15 mm) para unir. Puede pegar por separado el mástil de 3-4 aulagas y la sección de la cola, de uno o dos. Después del perfilado, es necesario pegar un peso antivibración en el borde de ataque a una longitud de 0,35 R desde el extremo de la pala, ya que las secciones finales de las palas están sujetas principalmente a la agitación. El peso está hecho de plomo o acero dulce. Después del pegado, se procesa de acuerdo con el perfil y, además, se une a los largueros del larguero con una tira de fibra de vidrio sobre resina epoxi. Después de eso, puede pegar toda la hoja con fibra de vidrio. Durante la fabricación de la hoja, es necesario controlar constantemente el peso de las piezas, para que después del montaje y procesamiento, la masa de la hoja difiera lo menos posible de la calculada. Autor: V.Artemchuk
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Comentarios sobre el artículo: invitado También termino el avión aterrizando en el agua.
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