Koaxialrotorer

Koaxialt schema  - ett schema för att konstruera en helikopter (eller flygplanspropellrar ), där ett par propellrar installerade parallellt roterar i motsatta riktningar runt en gemensam geometrisk axel .

På rotorfarkoster tillåter det ömsesidig kompensation av de reaktiva momenten för ett par rotorer , samtidigt som det mest täta arrangemanget av drivenheter bibehålls.

Denna konfiguration är mest representerad i masstillverkade Kamov -helikoptrar .

Beskrivning

Koaxialrotorer gör det möjligt att erhålla den erforderliga dragkraften med en relativt liten diameter på bärsystemet (bladen), eftersom det svepande området används väl och den nedre rotorn suger in ytterligare luft från sidan. En helikopter med koaxialrotorer har relativt små dimensioner och är ganska kompakt, vilket förenklar underhåll, lagring, transport och utökar dess omfattning. Små dimensioner, vilket minskar massaskillnaden, skapar små tröghetsmoment , därför har helikoptern höga rotationshastigheter och hög manövrerbarhet .

Den symmetriska layouten med minimalt propelleravstånd förenklar piloteringen i byiga vindförhållanden, vilket är särskilt värdefullt vid arbete från fartyg eller i bergig terräng. Frånvaron av en skrymmande stjärtbom underlättar pilotering på låg höjd, förbättrar flygsäkerheten i ojämn terräng och förenklar tvångslandningar. Det förenklar övergången till läget för självrotation av huvudrotorerna och träning i helikopterflyg.

Elimineringen av svansrotorns drivförluster gör det möjligt att minska diametern på huvudrotorerna, eftersom användningen av motorkraft förbättras. Att minska längden på propellerbladen leder till en minskning av helikopterstrukturens vikt och en ökning av viktreturkoefficienten (förhållandet mellan nyttolast och flygvikt). I princip är det på en koaxialhelikopter möjligt att ge en lägre vibrationsnivå om lasterna från propellrarna är motsatta i fas. Minskningen av vibrationsnivån underlättas också av den mindre diametern på rotorerna, det större antalet blad och frånvaron av kraftaxlar som passerar genom hela flygkroppen .

Jämfört med det klassiska stjärtrotorschemat är dock koaxialschemat mycket mer tekniskt och strukturellt mer komplext. Närvaron av två koaxialaxlar som passerar den ena i den andra och genomförandet av kontrollen av skruvarnas cykliska stigning komplicerar transmissionens utformning , ökar kostnaden för dess produktion och drift. För säker drift av koaxialhelikoptrar bör bladen inte kollidera under några manövrar, men ett stort propelleravstånd gör dessutom strukturen tyngre och ökar höjden avsevärt på helikoptern, vilket är särskilt märkbart när man använder propellrar med gångjärnsblad.

Med en hög placering av bärarsystemet, helikopterns tyngdpunkt , propellerns elastiska axel och den gångjärnsförsedda fästningen av bladen, blir lösningen av problemet med jordresonans mer komplicerad .

Bladets fladder har också vissa funktioner . På koaxialhelikoptrar är det svårt att eliminera omvända vibrationer. Den nedre rotorn som arbetar i den övre rotorns flöde har mindre effektivitet. [ett]

Fördelar och nackdelar

Fördelar med koaxialsystemet:

• minsta totala dimensioner, eftersom bladen på koaxialpropellrar är kortare än huvudbladen på helikoptrar med en stjärtrotor av liknande klass. Kräver en minimibana jämfört med andra system;
• transmissionens kompakthet . Praktiskt taget hela transmissionen är placerad längs en enda axel ;
• jämförelsevis enkel hantering. Alla kontroller är placerade bredvid transmissionen, och när man utför manövrar förbrukas inte ytterligare kraft från motorerna;
• bättre stabilitet under rätlinjig rörelse vid hög hastighet på grund av minskad vibration;
• ett mindre antal kritiskt sårbara komponenter, såsom stjärtbommen och stjärtrotorn på enrotors helikoptrar;
• större dragkraft -till-vikt-förhållande jämfört med det traditionella systemet  - minst 20 % i svävningsläge. Det finns ingen effektförlust på stjärtrotorn , dessutom fungerar den nedre skruven inte helt i luftflödet på den övre skruven, utan suger in ytterligare luft;
• schemats aerodynamiska symmetri. En koaxial enhet kan flyga i vilken riktning som helst med nästan samma effektivitet;
• minskning av vibrationer, vilket underlättas av de mindre dimensionerna på rotorerna;
• säkerhet för driftpersonal. Frånvaron av en stjärtrotor minskar risken för skador.

Brister:

• försämring av rotorernas effektivitet på grund av deras ömsesidiga inflytande i olika flyglägen jämfört med de längsgående och tvärgående scheman;
• den relativt stora höjden på helikoptern på grund av det stora avståndet mellan skruvarna, detta ökar i sin tur det aerodynamiska motståndet , vilket negativt påverkar den maximala horisontella hastigheten;
• sannolikheten för bladöverlappning i kritiska flyglägen (även om överlappning kan inträffa i ungefär samma flyglägen som för en huvudrotor med en stjärtbom enligt det klassiska schemat);
• något högre glidhastighet i autorotationsläget , det vill säga självrotation av rotorerna under verkan av det mötande luftflödet;
• svårare att säkerställa riktningsstabilitet på grund av det inneboende korta flygkroppsschemat, så de flesta koaxialhelikoptrar har en utvecklad vertikal svans ;
• komplexiteten i produktion, reparation och underhåll [2]

I helikopterteknik

Koaxialrotorn var känd långt innan idén om att skapa en helikopter med en svansrotor: till exempel, 1754, föreslog "fadern till rysk vetenskap" Mikhail Lomonosov att använda en mekanism med en koaxialskruv för att lyfta en meteorologisk sond , mekanismen drevs av en lindningsfjäder.

• Det första patentet för koaxialarrangemanget av rotorerna på ett flygplan utfärdades 1859 till engelsmannen Henry Bright.
• I Frankrike byggde Poton de Amercourt en koaxial helikoptermodell med en ångmaskin 1860 . [3]
• Igor Sikorsky tog sina första steg i helikopterindustrin 1900 med prototyper av obemannade helikoptrar med koaxialpropeller. [fyra]
• 1914 designade dansken Jacob Ellehammer sin koaxialhelikopter.
• I Österrike byggde Stefan Petrozi flera koaxiala obemannade helikoptrar med elmotorer under 1917-1920  . Helikoptern kunde bara vara i svävningsläge.
• Argentinaren Raul Pescara byggde  en koaxial helikopter 1919-1920 ; Helikoptern hade 4 skruvar, par skruvar kopplade som ett biplan roterat i motsatta riktningar [5] . I början av 1920-talet arbetade Raul Peteras-Pescara på en koaxial helikopter, där han först använde en swashplate för att styra en helikopter .
• År 1930 byggde italienaren Corradino d'Ascanio en koaxialhelikopter styrd av servoblad, en liknande lösning används på Kaman HH-43 Huskie .
• Under åren 1930-1936 byggdes den första koaxialhelikoptern med swashplates, den byggdes av fransmännen Louis Breguet och René Doran. Den första fullt kontrollerade helikoptern var Laboratory Gyroplane byggd av Charles Breguet och René Doran 1936 [6]7] .

• Amerikanen Stanley Hiller vid 18 års ålder byggde den första koaxialhelikoptern XH-44 med ultrastyva stålblad i helmetall. Hiller gjorde den första flygningen med denna helikopter 1944. Designen visade sig vara så framgångsrik att Hiller själv ofta visade sin stabilitet genom att släppa kontrollerna och sticka ut armarna genom fönstren. [åtta]
• Under 1945-1946. det amerikanska företaget Bendix Helicopters [9] har byggt flera prototyper (Model K, L och J) [10] , vilket koaxialsystem tillät att flyga utan svansbom och empennage.

I Sovjetunionen tog Yakovlev-teamet först upp ämnet koaxialhelikoptrar 1944; lite senare, 1945, tog ett team av entusiaster under ledning av N. I. Kamov upp arbetet (det är värt att notera att tillbaka i det ryska imperiet, de två första prototyperna av helikoptern av Igor Sikorsky (skaparen av den första framgångsrika helikoptern av det klassiska V-300-schemat) avslutades (1900) enligt det koaxiala schemat [6] ). Yakovlevs " Joke "-helikopter tog sig första gången i luften den 20 december 1947 [11] , och Kamov Ka-8-helikoptern - lite tidigare, den 12 november 1947 [12] . Det var dock för Kamovs konstruktionsbyrå som koaxialsystemet blev det huvudsakliga; till denna dag är Kamov-helikoptrarna de enda masstillverkade helikoptrarna med ett koaxialsystem i världen.

I Sovjetunionen byggdes den första andrapiloten vid Yakovlev Design Bureau, den kallades "Product Sh" eller "Joke", den första flygningen ägde rum 1947 .

• Den första helikoptern Kamov Ka-8 "Irkutian" tog till luften också 1947;
• Ka-10 "Irkutian" - vidareutveckling av Ka-8 (1949);
• Ka-15  - den första koaxiala helikoptern producerad i en stor serie (1953);
• Ka-18 "Baby" (1956);
• Ka-27  - anti-ubåtshelikopter (1956);
• Ka-25 (1961);
• Ka-26 (1965);
• Sikorsky S-69 / XH-59 (1973);
• Ka-29 (1976);
• Ka-32 (1980);
• Ka-28 (1982);
• Ka-50 "Black Shark" (1982);
• Ka-126 (1988);
• Ka-37 (1993);
• Ka-32A1 (1995);
• Ka-52 "Alligator" (1997);
• Ka-226 (modernisering av Ka-26; 1997);
• Ka-115 "Moskvichka" (projekt mitten av 90 -talet );
• Ka-137 "Pepelats" (1999);
• Berkut-VL (2000-talets projekt)
• Breguet Aviation : sv: Breguet-Dorand Gyroplane Laboratoire  - koaxial helikopterprototyp, 30-tal;
• Sikorsky X2 (första flygningen - 2008; projektet avslutades 2011);
• Sikorsky S-97 Raider (första flygningen - 2015)

• Ka-50

• Gyroplan Laboratoire

• Gyroplan QH-50 DASH

• Ka-27

• Berkut-VL

I flygplanskonstruktion

• Tu-95  - sovjetisk och rysk turboprop -strategisk bombplan - missilbärare . På grund av kraftenhetens enorma kraft som överfördes till propellern antogs konceptet med ett koaxiellt motroterande sprängämne (annars skulle propellerdiametern överstiga 7 meter, vilket var oacceptabelt av layoutskäl).
• An-22  är ett sovjetiskt tungt turboproptransportflygplan , världens största turbopropflygplan.
• Fairey Gannet - brittiskt luftfartygsbaserade antiubåtsflygplan och AWACS-flygplan från 50-70  - talet .
• Westland Wyvern var ett brittiskt flygbolagsbaserat flerrollsstridsflygplan som användes från 1950 till 1958 .
• Douglas A2D-1 Skyshark ( Skyshark ) - Amerikanskt erfaret bärarbaserat attackflygplan , utvecklat från 1945 till 1950 . I utseende och struktur på propellergruppen liknar den brittiska Westland Wyvern.
• Arsenal VB 10  är ett franskt experimentellt tvåmotorigt jaktplan utvecklat före och en tid efter andra världskriget. Intressant placering av båda motorerna i flygkroppen , med den första framför cockpiten , den andra bakom den (på samma sätt som P-39 Airacobra )

Koaxialschema i flygplansmodellering

Det förenklade koaxialsystemet används ofta i de enklaste och minsta helikoptermodellerna. I denna modell styrs propellrarna oberoende av rotationshastigheten, vilket säkerställer stabiliseringen av modellen i rotation och rotation. Framåt-bakåt flygning tillhandahålls oftast av en liten tredje horisontell svansrotor som justerar stigningen.

Denna typ av modell är mycket stabilare än det klassiska mönstret, vilket gör den idealisk för nybörjare och/eller inomhusflyg. Men detta schema har nackdelar:

• de flesta av dessa modeller har ett fast steg, vilket avsevärt förenklar modellen, men försämrar modellens styrbarhet längs banan;
• oförmåga att flyga utomhus i blåsigt väder.

Anteckningar

1. ↑ K. N. Laletin. Praktisk aerodynamik för ka-26-helikoptern, handledning Arkivkopia av 11 oktober 2016 på Wayback Machine  - Moskva, " Transport ", 1974
2. ↑ Praktisk aerodynamik för Ka-26-helikoptern / K.N. Laletin. - M . : "Transport", 1974. Arkivexemplar av 11 oktober 2016 på Wayback Machine
3. ↑ Tidig helikopterteknik arkiverad 21 augusti 2011.
4. ↑ A History of Helicopter Flight Arkiverad 13 juli 2014.
5. ↑ Alla helikoptrar i världen . Hämtad 12 november 2011. Arkiverad från originalet 17 januari 2017. (obestämd)
6. ↑ 12 Gyroplane Laboratoire . http://www.aviastar.org.+ Hämtad 4 april 2012. Arkiverad från originalet 10 juni 2012. (ryska)
7. ↑ A History of Helicopter Flight  (eng.)  (inte tillgänglig länk) . Hämtad 4 september 2012. Arkiverad från originalet 19 juni 2012.
8. ↑ Helikopter Hiller Xh-44-r . http://www.aviastar.org.+ Hämtad 4 april 2012. Arkiverad från originalet 20 november 2012. (ryska)
9. ↑ Bendix Model K Helikopter - utvecklingshistorik, foton, ritningar, tekniska data . www.aviastar.org . Hämtad 31 maj 2022. Arkiverad från originalet 31 maj 2022. (obestämd)
10. ↑ Bendix Model J helikopter - utvecklingshistorik, foton, tekniska data . www.aviastar.org . Hämtad 31 maj 2022. Arkiverad från originalet 19 april 2021. (obestämd)
11. ↑ Yakovlev EG . Hämtad 8 juni 2018. Arkiverad från originalet 13 oktober 2016. (obestämd)
12. ↑ Ka-8 helikopter . http://www.aviastar.org.+ Hämtad 4 april 2012. Arkiverad från originalet 16 mars 2012. (ryska)

Länkar

• AERODYNAMISK OPTIMERING AV EN COAXIAL PROPROTOR Arkiverad 23 september 2016 på Wayback Machine 
•  En undersökning av teoretisk och experimentell koaxialrotor aerodynamisk forskning