Вертолёт, 2006 №2

Исследование аэродинамических характеристик профиля в аэродинамической трубе Т-106 ЦАГИ

К середине семидесятых годов на кафедре под руководством В.И. Шайдакова сформировался коллектив аэродинамиков. В него вошли наиболее способные выпускники кафедры, в их числе Ю.М. Игнаткин, А.Д. Маслов, Б.Л. Артамонов, В.И. Асеев и др. Разнообразие исследуемых перспективных схем вертолетов привело к необходимости создания универсальной теории несущего винта — теории, которая могла бы охватить воедино все возможные схемы несущих систем (включая многовинтовые) и все возможные режимы работы несущего винта. К 1982 году была создана обобщенная дисковая вихревая теория несущих винтов с «жестким» вихревым следом, пространственное положение которого устанавливалось расчетным путем. На основе этой теории разработаны комплексы методов аэродинамического расчета НВ и их систем различного уровня точности и составлена библиотека программ, которая использовалась как в научных исследованиях, так и в учебном процессе.

При решении аэродинамических задач, связанных с определением взаимовлияний несущих винтов в многовинтовых несущих системах, индуктивных скосов от несущего винта в области крыла, оперения, хвостового винта, возникает необходимость описать поле индуктивных скоростей за пределами диска НВ. Для этого нужно знать точное положение вихревого следа в пространстве, которое сильно зависит от его деформации вследствие самоиндукции. Вихри, сходящие с задней кромки лопасти, сворачиваются в концевые вихревые жгуты (первичное сворачивание) и образуют циклоидальный вихревой след, края которого стремятся свернуться в продольные жгуты (вторичное сворачивание), а серединная часть циклоид под их воздействием опускается вниз.

Созданная теория позволяет провести разложение всех элементов вихревого следа на продольные и поперечные компоненты, вычислить циркуляции продольных вихревых жгутов и определить их пространственное положение. Вследствие разности циркуляций правого (у=гс/2) и левого (у=Згс/2) вихревых жгутов появляется третий центральный вихревой жгут. На рис. 1 представлен график кривых, определяющих положение и форму продольных вихрей (вид сбоку) вертолета Ми-2, который совершает горизонтальный полет на высоте 20 м со скоростью 100 км/ч. Сюда же внесены данные (на графике они обозначены точками), полученные в летных испытаниях Ми-2 в 1973 году.

Участники аэродинамической группы развивали эту теорию применительно к различным несущим системам: А.Д. Маслов — к соосным НВ, Ю.М. Игнаткин — ко многовинтовым системам, А.В. Зорин — к автожирным НВ. Результаты работы внедрены в учебный процесс авиационных вузов страны, ими пользовались в своей деятельности вертолетные ОКБ. По этой тематике на кафедре защищен ряд кандидатских диссертаций.

По заказу различных отраслевых НИИ на кафедре выполнен ряд работ, имеющих практический выход. В 1980–1981 гг. по договору с ВНИИэлектромаш (Ереван) проведены исследования по аэродинамическому проектированию подвесных потолочных вентиляторов. Предложенный метод расчета параметров отбрасываемой турбулентной струи проверен в эксперименте с серийными вентиляторами. Выработан критерий, на основе которого предложен способ получения оптимальной аэродинамической формы металлических лопастей вентиляторов, намечены перспективы возможного улучшения характеристик потолочных вентиляторов осевого типа.

Сельскохозяйственный вариант Ми-2

Рис. 1. Продольные вихревые жгуты, сходящие с диаметрального сечения несущего винта

В 1982–1984 гг. по заданию НИПИгормаш (Свердловск) был выполнен комплекс исследований по оценке эффективности проветривания застойных зон при добыче полезных ископаемых открытым способом (карьеров) с помощью стационарных и передвижных вентиляционных установок, сконструированных на базе несущих винтов вертолетов и пропеллеров самолетов. В ходе этой работы создан метод расчета характеристик турбулентной воздушной струи, создаваемой винтом в присутствии экрана, предложен метод оценки эффективности вентиляционной установки через обобщенный критерий оптимальности, который учитывает дальнобойность струи и величину присоединенной массы воздуха. Были рассмотрены различные варианты вентиляционных установок с лопастями несущих винтов вертолетов Ми-2, Ми-4, Ми-8, а также пропеллера самолета Ан-2 и даны рекомендации по выбору оптимальных расстояний от винта до экрана. Было показано, например, что применение установки с пятилопастным НВ вертолета Ми-8 позволит обеспечить дальнобойность струи до 360 м, радиус зоны захвата загрязненного воздуха до 37 м при потребляемой мощности на привод установки 1670 кВт.

Кроме того, выполнялись хоздоговорные работы по аэродинамическому проектированию ветряков, а также по оптимизации режимов полета сельскохозяйственных вертолетов. В 1987 году во Всесоюзном конкурсе вузов на лучшую научно-исследовательскую работу цикл работ группы аэродинамиков кафедры «Конструкции и проектирование вертолетов» МАИ, выполненных под руководством В.И. Шайдакова, был отмечен второй премией.

В отраслевой лаборатории кафедры и в дальнейшем велись исследования, имеющие четкий практический выход. В частности, в 1987 году по договору с ВНИИ ПАНХ ГА (Краснодар) проводились работы по внедрению созданных математических моделей несущих систем. Цель исследования — определение летных и агротехнических характеристик сельскохозяйственных вертолетов при выполнении авиационнохимических работ. Модель вихревого следа соосного НВ вблизи земли представлена в виде двух вихревых жгутов вместе с их зеркальным отражением относительно земли. На рис. 2 виден характер деформации вихревых жгутов в двух проекциях. Совпадение расчетных и экспериментальных данных удовлетворительное.

Другим важным научным направлением лаборатории в области аэродинамики НВ было исследование режимов вихревого кольца и авторотации. Первые публикации, в которых исследовались вопросы вертикального снижения вертолета, были сделаны в 1961 году. В основу исследования режимов снижения с подводимой к НВ мощностью положена модель турбулентной струи во встречном потоке. Вследствие размывания струи снизу образуется граница раздела потока. Теория турбулентной струи предполагает, что при размывании количество движения в струе сохраняется постоянным. При этом на верхней границе раздела потоков обтекание может быть с отрывом струй, поэтому интеграл давлений по контрольной поверхности в уравнении импульсов не равен нулю, что необходимо учитывать.