Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Управление столичной полиции Токио EH101 (AW101)

Конструкция лопастей ротора BERP была разработана в рамках британской экспериментальной программы ротора . Первые лопасти винта BERP были разработаны в конце 1970-х - середине 1980-х годов в рамках программы совместного предприятия Westland Helicopters и Royal Aircraft Establishment (RAE) с профессором Мартином Лоусоном в качестве со-патентообладателя. [1] Задача заключалась в увеличении грузоподъемности и максимальной скорости вертолетов с использованием новых конструкций и материалов.

Как это работает [ править ]

Когда объекты приближаются к скорости звука , ударные волны образуются в областях, где локальный поток ускоряется выше скорости звука. Обычно это происходит на криволинейных участках, таких как окна кабины, передние кромки крыла и подобные участки, где принцип Бернулли ускоряет воздух. Эти ударные волны излучают большое количество энергии, которое должно быть предоставлено двигателями, что для самолета в целом представляется большим дополнительным сопротивлением, известным как волновое сопротивление . Возникновение волнового сопротивления породило идею звукового барьера .

У вертолетов есть дополнительная проблема, заключающаяся в том, что их винты перемещаются относительно фюзеляжа при вращении. Даже при зависании концы ротора могут двигаться со значительной долей скорости звука. По мере ускорения вертолета его общая скорость прибавляется к скорости кончиков, что означает, что лопасти на стороне, движущейся вперед, имеют значительно более высокую воздушную скорость, чем сторона, движущаяся назад, что вызывает несимметричность подъемной силы . Это требует изменения угла атаки лопастей для обеспечения одинаковой подъемной силы с обеих сторон, несмотря на большие различия в относительных воздушных потоках.

Именно способность ротора изменять характер подъемной силы ограничивает поступательную скорость вертолета; в какой-то момент скорость движения вперед означает, что лопасти, движущиеся назад, не достигают скорости сваливания . Точку, в которой это происходит, можно улучшить, заставив ротор вращаться быстрее, но тогда возникает дополнительная проблема, заключающаяся в том, что на высоких скоростях движущиеся вперед лопасти приближаются к скорости звука и начинают страдать от волнового сопротивления и других негативных эффектов.

Одним из решений проблемы волнового сопротивления является то же самое, что и на реактивных истребителях 1950-х годов, - использование стреловидности крыла . Это снижает эффект волнового сопротивления без значительных отрицательных эффектов, за исключением очень низких скоростей. В случае истребителей это было проблемой, особенно при посадке, но в случае вертолетов это не проблема, потому что концы винта не сильно замедляются даже во время приземления. Такие стреловидные наконечники можно увидеть на многих вертолетах 1970-80-х годов, особенно на UH-60 Blackhawk и AH-64 Apache .

Однако, чтобы не получить центр тяжести или перемещения аэродинамического центра за упругой осью лопасти (что может привести к нежелательным аэродинамическим и инерционным сцеплениям), то кончик должен быть сконфигурирован со смещением площади вперед. Это можно свести к минимуму, если учитывать, что число Маха изменяется вдоль лопасти, поэтому нам не нужно использовать постоянный угол стреловидности, тем самым минимизируя величину смещения области вперед.

Методология, использованная в конструкции лопасти BERP, гарантирует, что эффективное число Маха, перпендикулярное лопасти, остается номинально постоянным по всей области стреловидности. Максимальная стреловидность большей части лопасти BERP составляет 30 градусов, а вершина начинается с безразмерного радиуса r / R = cos 30 = 86% радиуса. Распределение площади этой области наконечника выполнено таким образом, чтобы гарантировать, что средний центр давления на наконечнике расположен на оси упругости лезвия. Это достигается смещением положения локальной оси хорды на 1/4 вперед на радиус 86%.

Это смещение также вызывает разрыв передней кромки (называемый выемкой), что приводит к другим интересным эффектам. Например, недавние расчеты с использованием кода CFD, основанного на уравнениях Навье-Стокса , показали, что эта «выемка» на самом деле помогает еще больше снизить силу ударных волн на лопасти. Таким образом, неожиданным побочным продуктом выемки помимо основного эффекта развертки является еще большее снижение эффектов сжимаемости.

Мы также должны признать, что геометрия со стреловидным наконечником такого типа не обязательно улучшит характеристики лопасти при большом угле атаки, соответствующем отступающей стороне диска. Фактически, опыт показал, что лезвие со стреловидным концом может иметь худшую характеристику сваливания по сравнению со стандартным лезвием.

Лезвие BERP имеет окончательную геометрию, которая работает как стреловидная вершина при высоких числах Маха и малых углах атаки, но также позволяет вершине работать при очень больших углах атаки без сваливания. Этот последний атрибут был получен путем радикального увеличения ширины самой внешней части наконечника (примерно 2% внешних) до значения (70 градусов), при котором любой значительный угол атаки вызовет разделение потока на передней кромке.

Поскольку передняя кромка имеет очень большую стреловидность, это разделение передней кромки перерастает в вихревую структуру, которая катится вокруг передней кромки и в конечном итоге располагается над верхней поверхностью (как на самолетах с треугольным крылом). Этот механизм усиливается за счет того, что передний край крыла в этой области становится относительно острым.

По мере увеличения угла атаки этот вихрь начинает развиваться из точки все дальше и дальше вперед вдоль передней кромки, следуя геометрии плоской формы, в область с более умеренной стреловидностью. При достаточно большом угле атаки вихрь будет инициироваться ближе к передней большей части передней кромки вблизи области «выемки».

Свидетельства показали, что также образуется сильный вихрь с «выемкой», который движется по лопасти в продольном направлении. Этот вихрь действует как аэродинамическое ограждение и препятствует проникновению области отрыва потока в область наконечника. Дальнейшее увеличение угла атаки мало меняет структуру потока, пока не будет достигнут очень большой угол атаки (около 22 градусов!), Когда поток сильно разделится. Для обычной формы наконечника в плане можно ожидать, что подобное полное разрушение потока произойдет при местном угле атаки около 12 градусов.

Таким образом, отвалу BERP удается использовать лучшее из обоих миров, уменьшая влияние сжимаемости на продвигающийся отвал и задерживая начало срыва отступающего лезвия. Конечный результат - значительное увеличение рабочего диапазона полета.

Программы [ править ]

Первоначальная программа BERP I изучала проектирование, производство и квалификацию композитных лопастей ротора. Это привело к производству новых лопастей несущего и рулевого винта для Westland Sea King . Вслед за первой, второй программы, BERP II, проанализированы современные Aerofoil секции для лопаток ротора будущего. Это послужило основой для программы BERP III.

Конструкции BERP III имеют выемку по направлению к внешнему концу лопасти ротора с большей обратной стреловидностью от выемки к концу лопасти по сравнению с внутренней частью выемки. [2] BERP III завершилась демонстрацией технологии на вертолете Westland Lynx . [3] В 1986 году Lynx, специально модифицированный зарегистрированный G-LYNX и пилотируемый Тревором Эггинтоном, установил абсолютный рекорд скорости для вертолетов на дистанции 15 и 25 км, достигнув отметки 400,87 км / ч (249,09 миль / ч). [2] После успешной демонстрации технологии лезвие BERP III было запущено в производство.

BERP IV использует: новое крыло, измененную форму наконечника лопасти и увеличенный поворот лопасти. После 29 часов испытаний было обнаружено, что он «улучшает характеристики полета несущего винта, снижает потребность в мощности при полете в висении и вперед, ... снижает вибрацию планера и двигателя для ряда взлетных масс». [4] Кроме того, «нагрузка на ступицу несущего винта оказалась такой же или меньшей, чем у лопасти BERP III, теперь установленной на вертолете EH101 ». [4] Для предотвращения эрозии передней кромки лезвия будет использоваться лента на резиновой основе, а не полиуретановая, используемая на кораблях Sea Kings ВМС Великобритании. При тестировании выяснилось, что он длился в пять раз дольше, 195 минут против 39 минут. Программа завершилась в августе 2007 г. [4]

Применение технологии BERP [ править ]

Текущие приложения:

  • BERP III:
AgustaWestland AW101
Улучшенная Westland Super Lynx
  • БЕРП IV:
AgustaWestland AW101
VH-71 пустельга

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Мартин Лоусон (Некролог)» (только предварительный просмотр) . The Times . Лондон. 12 августа 2013 . Проверено 27 ноября 2015 года .
  2. ^ Б J. Gordon Leishman " ENAE 632 - Rotor Программа British Experimental (BERP) Клинок архивации 2007-08-21 в Wayback Machine ", Университет штата Мэриленд, Колледж - Парк , Проверено 11 апреля 2010
  3. ^ Харрисон, Стейси, Хансфорд " BERP IV. Дизайн, разработка и испытание усовершенствованной лопасти ротора " 64-й ежегодный форум Американского вертолетного общества, 29 апреля - 1 мая 2008 г.
  4. ^ a b c Коппингер, Роб (22 мая 2007 г.). «BERP IV дает Мерлинсу больше полезной нагрузки» . flightglobal.com . Проверено 27 ноября 2015 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Броклхерст, Алан. AIAA-1990-3008, «Экспериментальное и численное исследование лезвия британской экспериментальной программы ротора». AIAA, 1990 год.

Внешние ссылки [ править ]

  • Британская программа экспериментального ротора (BERP) Blade
  • Воздушные векторы: Вестлендский разведчик, Оса и рысь
  • "Самые быстрые лопасти в мире" , 27 декабря 1986 года, статья Flight International о роторе BERP Lynx.