Тема 3. Основные сведения о самолетах и вертолетах гражданской авиации (ГА). Схемы самолетов и вертолетов.

Все самолеты можно объединить в группы, различающиеся по следующим конструктивным признакам: числу и расположению крыльев; типу фюзеляжа; форме и расположению оперения; типу, количеству и расположению двигателей; конструкции и расположению шасси. Схема самолета в большой степени влияет на летные, весовые и эксплуатационные качества самолета.

По числу крыльев различают монопланы — самолеты с одним крылом и бипланы —самолеты с двумя крыльями, расположенными одно над другим. Бипланы, у которых одно из крыльев короче другого, получили название полуторапланов. На заре развития авиации встречались самолеты с тремя несущими поверхностями (трипланы) и даже лятипланы. Биплан маневреннее моноплана, так как при одинаковой площади крыльев размах их и длина оказываются

меньшими у биплана. Основной недостаток биплана — большее чем у моноплана лобовое сопротивление, которое затрудняло дальнейший рост скоростей полета. В современной авиации самолеты-бипланы встречаются редко. Подавляющее большинство современных самолетов выполняется по схеме моноплана. В зависимости от положения крыла относительно фюзеляжа различают самолеты с низким (низкоплан), средним (среднеплан) и высоким (высокоплан) расположением крыла.

При низком расположении крыла конструктивно проще расположить оперение выше крыла и вывести его из зоны затенения воздушным потоком, сбегающим с крыла. Кроме того, при этом высота стоек шасси получается небольшой, что позволяет уменьшить массу шасси. Однако низкоплан с аэродинамической точки зрения из-за взаимного влияния крыла и фюзеляжа (интерференции) менее выгоден. К тому же нижнее расположение крыла дает плохой обзор вниз из окон пассажирских кабин.

Самолеты со средним расположением крыла в современной авиации получают все большее распространение, так как у них взаимное влияние крыла и фюзеляжа, определяющее общее сопротивление самолета, наименьшее. Недостаток самолета со средним расположением крыла — необходимость пропускать продольные силовые элементы крыла через фюзеляж, что затрудняет размещение в этом месте грузов, оборудования и пассажиров.

Самолеты с высокорасположенным крылом отличаются следующими преимуществами: высокое размещение двигателей от поверхности взлетно-посадочной полосы уменьшает возможность попадания в них твердых частиц с поверхности аэродрома; простота загрузки и разгрузки самолета; хороший обзор вниз из окон пассажирских кабин. Для летающих лодок высокое расположение крыла наиболее рационально. К недостаткам схемы относятся: трудность уборки шасси в крыло, утяжеление конструкции шасси и фюзеляжа (для обеспечения безопасности при посадке с убранными шасси), сложность обслуживания двигателей и крыла, заправки топливных и масляных баков. Самолеты с высокорасположенным крылом получили широкое распространение в транспортной авиации для перевозки грузов.

По типу фюзеляжа самолеты подразделяют на несколько видов. Подавляющее большинство современных самолетов имеет фюзеляжи, которые служат не только для размещения экипажа, пассажиров, оборудования и груза, но и для крепления крыла и оперения. Фюзеляжи, не несущие оперения, называют гондолами. Оперение в этом случае поддерживается двумя балками, и самолеты при этом иногда называют двухбалочными. Такая схема удобна для грузовых самолетов, так как в задней части гондолы можно сделать большие люки для погрузки крупногабаритных грузов.

V самолетов могут быть два фюзеляжа и может не быть фюзеляжа совсем. Самолет без фюзеляжа называется «летающим крылом», Фюзеляж заменяет вмонтированная в крыло гондола, если Масса самолета небольшая и не удается разместить все грузы в

толще крыла. Если же самолет имеет большие размеры, то функции фюзеляжа выполняет само крыло.

По расположению оперения различают:

самолеты, у которых оперение (горизонтальное — стабилизатор и руль высоты, вертикальное — киль и руль поворота) размещается позади крыла;

самолеты типа «утка», у которых горизонтальное оперение располагается впереди крыла;

самолеты типа «бесхвостки» и «летающее крыло», у которых

оперение находится на крыле.

Наибольшее распространение получили самолеты с расположением оперения позади крыла. Оперение может быть однокилевым^ многокилевым и У-образным. Наибольшее распространение в настоящее время получило однокилевое оперение.

По типу шасси самолеты подразделяются на сухопутные, гидрой самолеты и амфибии. Шасси сухопутных самолетов бывает колесным, лыжным и гусеничным. Последнее встречается редко. Иногда в конструкции шасси предусмотрена возможность замены колес лыжами. Так как шасси необходимо только при взлете и посадке, то в полете для уменьшения лобового сопротивления желательно убирать его в крыло или фюзеляж.

Гидросамолеты бывают лодочные и поплавковые. У лодочных фюзеляж служит для размещения экипажа, пассажиров, грузов и оборудования, а также для взлета с водной поверхности и посадки в нее. У гидросамолетов поплавковой схемы для взлета и посадки служат специальные поплавки.

Колесные шасси самолетов могут быть выполнены по схеме с хвостовой, передней опорной и велосипедного типа. Преимущества и недостатки этих схем будут рассмотрены в главе «Шасси самолета».

По типу двигателей самолеты можно разделить на поршневые, турбовинтовые и реактивные, по количеству двигателей на однодвигательные, двух-, трех-, четырех-, шести-, восьмидвигательные. Тип и количество двигателей влияют на их размещение на самолете. Важно так их разместить, чтобы не нарушались нужные аэродинамические формы крыла и фюзеляжа, а изменение тяги не оказывало бы существенного влияния на балансировку самолета и его устойчивость. Размещение двигателя должно обеспечить хороший подход к агрегатам при обслуживании, а также простоту его замены.

Поршневые и турбовинтовые двигатели чаще всего располагают на крыле (у многомоторных самолетов), в носовой части фюзеляжа и над фюзеляжем (на гидросамолетах, где требуется удалить двигатель и винт от поверхности воды).

Реактивные двигатели могут располагаться внутри фюзеляжа, внутри крыла либо под крылом, в хорошо обтекаемых гондолах и на фюзеляже. Размещение двигателя полностью внутри крыла возможно только на самолетах больших размеров и с не очень тонким крылом. При размещении двигателей внутри крыла у самолета могут быть сохранены достаточно хорошие аэродинамические формы.

Большое количество самолетов имеет двигатели, расположенные с боков фюзеляжа в хвостовой его части. Такое расположение имеет ряд преимуществ по сравнению с расположением двигателей в крыле: уменьшается разворачивающий момент при отказе части двигателей; крыло, лишенное надстроек, имеет высокое аэродинамическое качество; значительно снижается шум в пассажирской кабине, так как основной источник шума — двигатели — удалены назад по полету.

Недостатки такого расположения двигателей следующие: более усиленная, а значит, и более тяжелая хвостовая часть фюзеляжа; удлинение коммуникаций управления двигателем, ухудшение путевой устойчивости вследствие удлинения носовой части фюзеляжа»

Большинство вертолётов имеет один несущий винт, вращающийся против часовой стрелки. Однако в результате вращения несущего винта появляется реактивный момент, разворачивающий вертолёт в сторону противоположную вращению винта. Для решения этой проблемы существуют различные схемы расположения винтов.

Классическая схема с рулевым винтом

 

В данной схеме винт небольшого диаметра располагается на хвосте вертолёта. Эта схема считается классической, т.к. впервые ее предложил на своем летательном аппарате Борис Юрьев вместе с автоматом перекоса.

Большинство вертолётов в мире построено именно по такой схеме. Неоспоримым преимуществом данной схемы является простота конструкции, что приводит к уменьшению затрат на производство, ремонт и обслуживание.

Недостатком данной схемы является то, что рулевой винт отбирает часть мощности у двигателя вертолёта и вместе с тем не дает ни подъёмной силы, ни тяги, направленной вперёд.

Существует также разновидность рулевого винта, встроенного в хвостовую балку, называемая фенестрон.

Винтокрыл

Для компенсации реактивного момента в режиме висения иногда используется винт, расположенный сбоку от вертолёта, однако тяга такого винта направлена вперед. В режиме полета этот винт используется как тянущий, что увеличивает скорость вертолёта, при этом несущий винт переходит в режим авторотации. Примером такой модели может служить Eurocopter X3. Недостатком такой системы является потеря бóльшей мощности на компенсацию реактивного момента по сравнению с рулевым винтом.

Преимуществом можно смело считать высокие скорости полета, недостижимые для классической схемы в силу особенностей аэродинамики. Так, например, винтокрыл «Ротодайн» фирмы «Фейри» в 1959 году достиг скорости в 307,22 км/ч,, а Eurocopter X3 в 2010 году - 430 км/ч.

Струйная система управления

Для компенсации реактивного момента используется система управления погранслоем на хвостовой балке, применяющая эффект Коанды, и реактивное сопло на конце. На Западе известна как NOTAR, англ. No Tail Rotor — «без хвостового винта». Данная система является безопасной из-за отсутствия рулевого винта и самой тихой.

Реактивный принцип вращения лопастей

Двигатели расположены на лопастях и на вал несущего винта не передается сильных моментов, как в случае расположения двигателей в фюзеляже.Такая схема исключает наличие реактивного момента от несущего винта. Существуют различные варианты этой схемы: с установкой прямоточных воздушно-реактивных двигателей на законцовках лопастей, либо с соплами на законцовках лопастей и подачей горячего выхлопа на них от расположенного в фюзеляже газотурбинного двигателя, либо компрессорный привод «холодного цикла»: газотурбинный двигатель в корпусе вертолёта приводит компрессор, а сжатый воздух от него подводится через трубопроводы к соплам на законцовках лопастей. Было построено несколько экспериментальных машин с реактивным приводом.

Продольная схема

Продольная схема состоит из двух горизонтальных винтов расположенных друг за другом и вращающихся в разных направлениях. Задний винт приподнят над передним для уменьшения негативного влияния воздушной струи от переднего винта. Данная схема в основном используется в вертолётах большой грузоподъемности.

Положительными сторонами этой схемы вертолёта являются:

большой объем грузового помещения. Вертолёты с продольной схемой иногда называют "летающими вагонами".

большой допустимый диапазон эксплуатационных центровок. Возможность использовать почти весь объем грузового пространства без потери в управляемости

К недостаткам продольной схемы вертолёта относятся:

появление значительных вибраций в некоторых режимах полета. Этот эффект особенно сильно проявлялся на ранних моделях вертолётов

некоторое ухудшение коэффициента полезного действия заднего несущего винта. Для решения этой проблемы задний винт расположен выше относительно переднего

некоторая несимметричность устойчивости и управляемости в путевом отношении

сложная трансмиссия.

Поперечная схема

Поперечные винты устанавливаются на концах крыльев или специальных опор перпендикулярно корпусу вертолёта. К поперечной схеме можно отнести и конвертопланы, например Bell V-22 Osprey.

Достоинства

высокий коэффициент полезного действия несущих винтов вследствие отсутствия взаимного влияния

наиболее выгодная схема с точки зрения устойчивости и управляемости вследствие аэродинамической симметрии.

К недостаткам этой схемы следует отнести:

сложную трансмиссию

повышенный вес конструкции

повышенное лобовое сопротивление.

Соосная схема

Соосная схема представляет собой пару винтов, расположенных один над другим на одном валу. Винты вращаются в противоположные стороны, таким образом компенсируются реактивные моменты, возникающие от каждого из винтов.

Достоинства соосной схемы:

минимальные габаритные размеры, т.к. лопасти соосных винтов короче несущих лопастей вертолётов с рулевым винтом схожего класса. Требуется минимальная по сравнению с другими схемами взлетно-посадочная площадка;

компактность трансмиссии. Практически вся трансмиссия расположена на одном валу;

сравнительная простота управления. Все органы управления расположены рядом с трансмиссией, причем при совершении маневров не затрачивается дополнительная мощность от двигателей;

меньшее число критически уязвимых узлов, т.е. узлов повреждение которых приводит к крушению;

большая по сравнению с традиционной схемой тяговооруженность. Нет потери мощности на рулевой винт;

аэродинамическая симметрия схемы. Аппарат соосной схемы может совершать полет в любом направлении с одинаковой эффективностью;

уменьшение вибраций;

безопасность для обслуживающего персонала. Отсутствие хвостового винта уменьшает вероятность травм.

Недостатки:

ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов из-за их взаимного влияния в различных режимах полета;

сравнительно большую высоту вертолёта вследствие большого расстояния между винтами;

вероятность перехлеста лопастей на критических режимах полета. Однако перехлест может наступать приблизительно в таких же режимах полета, что и несущий винт с хвостовой балкой классической схемы;

недостаточная управляемость в путевом отношении при планировании на режиме самовращения несущих винтов.

Перекрещивающиеся лопасти

Данная схема схожа с соосной, но при этом винты устанавливаются на двух смежных валах, расположенных под углом друг к другу, исключая таким образом перехлеста. В настоящий момент единственным серийным производителем подобных вертолётов является американская компания Kaman Aircraft. Отличительной особенностью данной фирмы являются использование с системе управления вертолётом сервозакрылок, установленных на лопастях, принцип действия которых схож с элероном самолета.

Достоинства:

минимальные габаритные размеры;

простая и легкая трансмиссия;

малый относительный вес конструкции;

симметричность в отношении аэродинамики.

Из недостатков этого типа вертолёта следует отметить лишь ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов вследствие взаимного влияния их друг на друга.

Многовинтовая схема

В основном вертолёты данной конструкции используют четыре винта, одна пара из которых расположены в продольной схеме, а другая - в поперечной, хотя встречаются конструкции и с большим числом винтов. Схема изначально была представлена в прототипах начала двадцатого века на заре авиации. Отличается большим весом, но вместе с тем простотой управления, т.к. такая схема не требует автомата перекоса, а направление полета задается регулированием мощности на каждом из винтов в отдельности. В настоящий момент пользуется все большей популярностью в минивертолётах с автопилотом.