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.
В последующих работах, посвященных исследованию режимов снижения вертолета по наклонной траектории, сопротивление НВ от встречного потока в режимах вихревого кольца моделировалось вихревым цилиндром из кольцевых вихрей, сходящих с краев диска НВ и уносимых потоком вверх. Такой подход позволил получить расчетную модель НВ для режимов крутого снижения вертолета на любых положительных углах атаки (на рис. 3 показан график индуктивных скоростей для положительных углов атаки).
Работы 60-х годов по теории «винта в кольце» нашли свое последующее развитие применительно к рулевым устройствам одновинтовых вертолетов типа «фенестрон». В 1972 году В.И. Ханжонков (ЦАГИ) опубликовал материалы по испытаниям воздушных коллекторов для винтов, работающих в канале. Это позволило разработать теорию, в которой система «винт в кольце» рассматривалась как воздушная сеть, состоящая из коллектора, вентилятора и диффузора. Потери давления на каждом участке сети брались из эксперимента. Наличие развитого диффузора увеличивало относительную тягу кольца до 60 % при относительном радиусе кривизны коллектора 30 % от радиуса канала. Проведены исследования оптимальных углов раскрытия диффузора и относительного КПД винта. Разработаны методы аэродинамического расчета фенестрона в режимах работы на месте и осевой обдувки спереди. Было показано, что при осевой обдувке тяга на коллекторе кольца быстро падает, что сильно ухудшает тяговые характеристики фенестрона.
К концу восьмидесятых годов наметились перестроечные тенденции в экономике страны. Финансирование отраслевой лаборатории по перспективному проектированию вертолетов было прекращено. К этому времени на кафедре сложился прочный научный коллектив высококвалифицированных преподавателей и сотрудников, который был способен преодолеть все трудности, поэтому научно-исследовательские работы продолжались как по линии госбюджета, так и по хозрасчетной тематике.
Рис. 3. График индуктивных скоростей НБ на режимах крутого снижения для любых положительных углов атаки
Рис. 2. Картина продольных вихревых жгутов для несущего винта вертолета Ка-26 в полете вблизи земли
Продувочная модель АКЛА конструкции А.И. Филимонова
Малоразмерный привязной вертикально взлетающий аппарат
В последние годы на кафедре продолжаются работы по проектированию и испытаниям аппаратов с несущей системой «винт в кольце». Это и дистанционно пилотируемый аппарат (ДПЛА) с соосными винтами, и привязной аппарат с электроприводом несущего винта. Для исследования аэродинамических характеристик ДПЛА была изготовлена продувочная модель и проведены испытания в аэродинамической трубе Т-1 МАИ.
Проектирование ДПЛА явилось естественным продолжением работ по созданию привязного дистанционно пилотируемого вертикально взлетающего аппарата, выполненного по схеме «винт в кольце». Работы велись в рамках СКБ кафедры под руководством ст. преподавателя В.М. Монашева. Привод соосных НВ диаметром 1 м осуществлялся от трехфазного асинхронного электродвигателя мощностью 4 кВт, питающегося от наземного источника, управление по курсу — с помощью воздушных рулей, установленных в кольце, по крену и тангажу — посредством автомата перекоса. Максимальная тяга аппарата составляла 260 Н при массе конструкции 18 кг. Аппарат был снабжен системой автоматической стабилизации и в испытаниях (1989 г.) показал хорошую устойчивость и управляемость.
Для экспериментальных исследований аэродинамических характеристик аппарата был построен специальный испытательный стенд с тензометрическими датчиками и весами. Полученные результаты использовались для проектирования последующей модификации аппарата массой 28 кг с двигателем мощностью 10 кВт и подъемной силой 560 Н. Его летные испытания были проведены в 2003 году.
Проектирование ЛА, имеющих в своей конструкции систему «винт в кольце», велось в начале 90-х годов по заказу НПК «Экотранс» (Тюмень). В рамках хоздоговорных НИР были выполнены работы по аэродинамическому проектированию несущей и движительной винтовых систем аэростатического комбинированного ЛА конструкции А.И. Филимонова. Аппарат представлял собой гибрид самолета, аэростата и вертолета с сильно развитой центральной частью корпуса в виде тора, внутренняя полость которого заполнялась легким газом.
На основании полученных результатов был спроектирован и построен на Тюменском судоремонтном заводе малоразмерный летный вариант аппарата. Его испытания проходили в 1995 году. Аппарат совершал полеты с работающей винтовой несущей системой, однако не смог выйти на расчетный самолетный режим из-за недостатка мощности.