27 апреля 2010 г.

Использование демпферов или "Жестко летать не запретишь"

Демпфирование ротора один из важнейших аспектов вертолетостроения, которому часто не уделяют достаточного внимания или вообще оставляют за кадром. Понимание принципов действия демпфирования и его назначения позволит любому пилоту лучше понимать модель, осознанно модифицировать ее и, как результат, лучше летать.

Что такое демпфирование? 

 Демпферы ротора или дамперы, как их часто называют, служат на модели вертолета нескольким целям. Что бы лучше понять назначение демпферов, лучше обратиться к примеру полноразмерных вертолетов и процессу который называется махи лопастями. Махами называют процесс движения лопастей вверх-вниз во время полета, что сопровождается изменением угла атаки. Причина, по которой лопасти делают махи - уравновешивание сил. Когда одна из лопастей движется вперед по ходу движения (наступает), а другая лопасть движется против хода движения (отступает) появляется эффект разбалансировки. Отступающая лопасть имеет меньшую скорость относительно воздуха и следовательно меньшую подъемную силу, в то время как наступающая лопасть напротив имеет большую подъемную силу. Делая махи отступающая лопасть опускается вниз, наступающая лопасть напротив поднимается вверх. Это происходит поскольку есть баланс между подъемной и центробежной силами действующими на лопасти. Без уравновешивания этих сил вертолет скорее всего будет очень нестабилен в полете и может разрушиться от вибраций. Махи в моделях вертолетов достигаются двумя способами: гибкостью лопастей и цапф или с помощью демпферов и шарниров.

Поскольку подавляющее большинство современных радиоуправляемых вертолетов (около 90%) использует единый межлопастной вал с демпферами для соединения лопастей между собой, о них и пойдет речь. Такая конструкция называется конструкцией с плавающим ротором. Есть модели с настоящей маховой конструкцией с шарнирами, но количество их невелико. Причина тому - большое число деталей и сложность сборки, а так же высокая стоимость такого решения по сравнению с плавающим ротором. Некоторые FAI вертолеты высшей ценовой категории используют ротор с шарнирами и имеют выдающиеся летные характеристики, но для большинства вертолетов и пилотов подобное решение не стоит того.



Обратите внимание, что наступающая лопасть движется против ветра и имеет большую подъемную силу поскольку относительная скорость равна скорости ротора плюс скорость набегающего воздуха, напротив отступающая лопасть дает меньшую подъемную силу поскольку ее относительная скорость равна скорости ротора минус скорость набегающего воздуха. Махи ставят лопасти на разный угол уравновешивая тем самым подъемную силу.

Жесткие или мягкие? 

 Чего можно достичь понимая основы назначения демпферов? Многого! Кроме того, что демпферы предохраняют вертолет от нестабильности и саморазрушения, они так же могут быть использованы для настройки летных характеристик модели. Отсюда стандартный вопрос, - "Насколько жесткими должны быть демпферы?" Часто для одного и того же вертолета можно приобрести демпферы разной жесткости. Рейтинг жесткости указывается в единицах по шкале Шора. Чем выше рейтинг, тем более жесткими будут демпферы.



Для чего используются жесткие демпферы? 

 Жесткие демпферы заставляют вертолет резче реагировать на циклический шаг, другими словами, корпус вертолета будет быстрее следовать за изменением положения ротора. С другой стороны, с более мягкими демпферами вертолет будет медленнее реагировать на управляющее воздействие. Учтите, что жесткость демпфера влияет только на начало маневра. Предположим, что есть два одинаковых пилота и они управляют одинаковыми вертолетами, если они начнут совершать серию флипов, то тот, у кого демпферы жестче, сможет быстрее начать маневр, однако установившаяся скорость флипов у обоих будет одинакова. И если уж совсем просто, то жесткие демпферы дают более быструю реакцию на управление, но не влияют на скорость всего маневра. Жесткие демпферы так же дают дополнительную защиту от удара лопастями по балке, поскольку не позволяют диску ротора отклоняться слишком сильно. Есть способ повысить жесткость демпфирования - установить шайбы на межлопастной вал между цапфой и хабом. При затяжке винтов межлопастного вала шайбы надавят на демпферы и сожмут их, получится более жесткая конструкция. 3D пилоты как правило выбирают самые жесткие демпферы из тех, что могут найти. Некоторые вообще убирают демпферы, получая жесткое крепление межлопастного вала. Такое решение тоже возможно хотя и не рекомендуется поскольку вертолет может разрушиться в полете если демпфирование не будет осуществляться где-либо в другом месте, особенно учитывая насколько жестки современные карбоновые лопасти.



Для чего применяют мягкие демпферы?

 Прочитав о преимуществах жестких демпферов можно подумать, зачем тогда нужны мягкие демпферы? Но есть ряд причин, по которым пилот может решить использовать мягкие демпферы. Когда лопасти и демпферы слишком жесткие, вертолет будет качаться и наклоняться при висении и во время выполнения медленных маневров. Вертолет с жесткими демпферами очень резкий и реагирует даже на малейшие движения стиками, даже на дрожание рук пилота. Более мягкие демпферы очень стабильны при висение и во время выполнения медленных красивых полетов типа восьмерки или полетов в стиле копийных вертолетов. С мягкими демпферами модель обретет летные характеристики реального вертолета, а как известно, не многие из реальных вертолетов способны на 3D. Начинающие пилоты предпочитают мягкие демпферы, поскольку с ними вертолет более плавный и медленнее реагирует на команды, что дает время на обдумывание и коррекцию. Основной недостаток мягких демпферов это повышенная вероятность удара по балке, поскольку отступающая лопасть может сильно отклониться вниз при чрезмерном управлении по циклическому шагу и небольшой скорости вращения ротора, а так же мягкие демпферы приводят к флаттеру* - треску при маневрах из-за того, что лопасти при махах отклоняются на большой угол и происходит срыва потока.

*ФЛАТТЕР (от англ. flutter), сочетание изгибных и крутильных колебаний крыльев, оперения и др. элементов конструкции самолета. mega.km.ru.



Пример из жизни про вертолеты и выбор демпферов. Для Hirobo Frea Evo доступны демпферы двух типов: штатные, жесткостью 60° и 3D, жесткостью 80°. Для опытных 3D пилотов лучший выбор 80°, в то время как FAI-пилоты и новички скорее предпочтут 60°.

Типы демпферов. 

Существует масса всевозможных демпферов для разных моделей вертолетов, в том числе и изделия третьих фирм. Многие производители предлагают мягкие и жесткие версии своих изделий. Обычно, внешне они похожи и различаются только цветом. Некоторые используют резиновые кольца(О-ring), а некоторые мягкие пластики. Сторонние производители предлагают множество вариантов, среди которых:

Жесткие пластиковые демпферы с резиновым кольцом. Они жесткие не только на вид, но и в деле. Резиновое кольцо дает стабильность, необходимую при висении и в горизонтальном полете, а при жестких маневрах кольцо сжимается до пластика и вертолет резко откликается на управление. Такие демпферы хорошо работают при 3D полетах. Недостаток в том, что такие демпферы могут быть легко повреждены в краше.



Нештатные резиновые кольца (O-ring). Обычно такие демпферы делают из резины с более высоким рейтингом жесткости, чем предлагает производитель вертолета, но они так же однородны и демпфируют всем объемом. Обычно каждый демпфер состоит из двух и более колец, насаженных на межлопастной вал. Такие демпферы бывают разной жесткости для всех стилей полета.



Резиновые кольца в трубке. Некоторые производители предлагают наборы, которые состоят из нескольких колец расположенных внутри металлической трубки, трубка в свою очередь помещается внутри хаба. По характеристикам такая конструкция схожа с обычными резиновыми кольцами.
При таком многообразии демпферов вы без труда подберете подходящие для вашей модели. Что касается самого выбора - учитывайте на ваш стиль полета и обратите внимание на то, какие демпферы используют люди с такими же вертолетами. Это подскажет вам, с чего начать.
Как менять и устанавливать демпферы. Обычно демпферы устанавливаются с двух сторон хаба c межлопастным валом, проходящим через них. На некоторых вертолетах демпферы установлены в центре маха лопастей, но общий принцип установки демпферов тот же. Большинство демпферов должны быть смазаны смазкой, которая не разъедает резину. Хорошо работает диэлектрическая смазка, которую можно купить в автомагазине. (aarc: хорошо работает ЛИТОЛ-24, который тоже можно купить в автомагазине)

1. Смажьте демпфер снаружи и изнутри тонким слоем и установите демпфер в хаб.



2. Смажьте межлопастной вал той же смазкой и протолкните вал через демпферы. Перед тем, как протолкнуть вал, лучше закрыть его резьбу ватным тампоном, салфеткой или вкрутить винт, чтобы смазка не попала на резьбу. Смазка позволяет валу двигаться и располагаться по центру во время полета.



3. Установите цапфы и готово.



Внимание! Существуют демпферы, сделанные из специального пластика, которые не надо смазывать. Внимательно читайте инструкцию!

Из личного опыта:
В инструкции к вертолету Next-D Rave 450 предлагают вклеивать демпфера в голову на циакрин: обещают, что голова становится жестче, а износ демпферов меньше. Сначала я установил демпфера в Rave на смазку, как сказано в этой статье. Голова получилась слишком мягкая, цапфы легко раскачивались руками, а демпфера быстро износились. Затем установил демпфера на циакрин и, действительно, жесткость повысилась, а проверка демпферов после сотни полетов не выявила признаков износа (разрушения) резинок. После чего вклеил демпфера на циакрин и в других своих вертолетах: Trex 500 и Trex 600. Результат очень хороший - на трекс 500 демпфера продержались уже более 200 полетов и пока не проявляют признаков износа. Вклеенные демпфера вынимаются из головый без особых проблем, нужно лишь подцепить их отверткой и потянуть. При вклеивании наношу циакрин по внешней стороне демпфера, чтобы демпфер приклеился только к хабу! Для упрощения сборки добавляю немного смазки на межлопастной вал.

Необходимо почаще проверять демпферы на предмет износа или повреждений. В полете ротор получает хорошую нагрузку, а демпферы держат всю конструкцию. Чтобы быстро проверить состояние демпферов ничего не разбирая, возьмитесь рукой за цапфу и покачайте ее вверх-вниз, удерживая хаб на месте. Если в сравнении с новыми демпферами перемещение увеличилось, скорее всего демпферы пора менять. Изношенные демпферы могут быть причиной бабочки(разной высоты движения лопастей) и флаттера. Так же проверяйте демпферы после краша.
Заключение. Демпферы играют важную роль в среде радиоуправляемых вертолетов. Хорошая конструкция демпферов положительно влияет на стабильность и адекватность современного вертолета. Подбирая демпферы, пилот может значительно изменить поведение модели и подстроить летные характеристики под свои требования.

До встречи на поле!

Слова: Джим Иннс
Перевод: aarc
Ссылка: Оригинальный текст на сайте RCHeliMag.
Перевод и размещение выполнены с разрешения издательстава RCHelimag.

12 комментариев:

  1. > Рейтинг жесткости указывается в градусах по Шору

    несмотря на то, что производители указывают твердость демпферов в градусах, шкала Шора меряется в абстрактных единицах http://www.clo.ru/Catalog/Pribor/MehSvoMater/2033.htm

    ОтветитьУдалить
  2. Справедливо. Спасибо за замечание.

    ОтветитьУдалить
  3. Олег, добрый день!
    Пардон, но Вы написали маленький "косяк".
    Цитирую:
    "Когда одна из лопастей движется вперед по ходу движения (наступает), а другая лопасть движется против хода движения (отступает) появляется эффект разбалансировки. Отступающая лопасть имеет меньшую скорость относительно воздуха и следовательно меньшую подъемную силу, в то время как наступающая лопасть напротив имеет большую подъемную силу. Делая махи отступающая лопасть поднимается вверх, увеличивая угол атаки, наступающая лопасть напротив опускается, уменьшая угол."
    На самом деле всё наоборот:
    Наступающая лопасть ввиду большей подъёмной силы делает мах вверх, а отступающая - вниз.
    Данные движения компенсируют угол атаки набегающего потока и силы на несущем винте компенсируются.
    С уважением,
    Игорь Куличик

    ОтветитьУдалить
  4. Олег! Тема "махов" (точнее - взмахов) лопастей зачастую путает тех, кто не сильно вдавался в подробности процесса.
    Дело в том, что лопасть практически постоянно совершает взмахи. Любой циклический шаг или изменение общего шага - приводят к изменению подъёмной силы лопасти и соответственно изменяют её "маховое" положение.
    Главный и очень важный момент в моделях, по сравнению с полноразмерными вертолётами - значительно бОльшая удельная жёсткость лопастей.
    На "взрослом" вертолёте можно почти всегда видеть "конус". В полёте - вверх, а на стоянке - вниз.
    А на моделях лопасти на столько жёстче, что абсолютно не прогибаются под собственным весом, а увидеть именно "махи" обусловленные разницей скоростей обтекания - думаю нереально.
    Видеть наклон ротора при даче максимального циклического угла - в принципе можно.
    Но, это (видимое отсутствие махов лопастей) вовсе не значит, что при этом не действуют теже самые силы, которые видны на лопастях больших вертолётов визуально.

    ОтветитьУдалить
  5. Саша, Игорь, спасибо за замечания. По поводу подъема или спуска отступающей лопасти - в первоисточнике указано именно так, как у меня в переводе. На самом деле, мне тоже кажется логичным спуск отступающей лопасти и подъем наступающей, но в применении к реальным вертолетам я не готов так сразу сказать, как будет протекать процесс. Надо исследовать этот момент более тщательно.

    Применительно к моделям, согласен, что разница с реальными вертолетами значительная: лопасти более жесткие, единый шпиндель жестко соединяет лопасти между собой, что на реальных моделях скорее всего не используется вовсе. Но теория в целом та же, а значит демпфирование необходимо, собственно в этом плане вопросов не возникает. Интересует практический результат. Я пробовал и жесткие и мягкие демпфера. Разница в основном сводится к мягкости реакций на циклический шаг. С мягкими демпферами вертолет лучше сопротивляется порывам бокового ветра и позвоялет выставить более низкие обороты ОР без раскачки тушки. Сейчас я везде использую максимально жесткие демпфера, да еще и вклеенные на циакрин, поскольку полет практически все время проходит в режиме 3D.

    ОтветитьУдалить
  6. Олег,добрый день!
    Я как говорится: "за базар отвечаю"! (шютка!)
    Я этот процесс исследовал шесть лет: выпускник МАИ по специальности "вертолётостроение". Так что про работу большого вертолёта в целом и несущего винта в частности могу говорит часами. И с удовольствием!
    Олег, переводите и пишите статей побольше!
    У Вас хорошо получается!
    Я летать учусь по вашим урокам: очень мне подходят методы и приёмы, рекомендованные Вами.

    ОтветитьУдалить
  7. Олег (Игорь, как знающий человек подтвердит :) ), для общего понимания процессов полезно "упростить" модель поведения лопасти и ротора. Мне как то привычнее оперировать не специфическими терминами (мах лопасти), а более понятными с физической точки зрения - "прогиб" или "выгиб". Сразу понятно, что причина - сила. А сила какая? Их по сути две - центробежная и подёмная.
    Подъёмная зависит от двух факторов - угла обтекания и скорости обтекания.
    Скорость - складывается (при движении вертолёта) на наступающей и вычитается (линейная скорость вращения) на отступающей стороне.
    В зависимости от типа(конструкции, балансировки) лопастей вз-махи приводят к изменению угла установки лопасти... или не приводят.
    То же самое (по сути) происходит при движении - меняется угол и скорость обдува (набегающего потока), что приводит к изменению подьёмной сили на лопастях ...
    Короче, там море всяких такого рода тонкостей, в теоритической модели.

    ОтветитьУдалить
  8. Игорь, я вовсе не собирался ставить под сомнение Ваш базар, но для себя хочу разобрать эту тему более тщательно, взглянуть на вопрос несколько шире. Уже не раз сталкивался с тем, что очевидный ответ не всегда является правильным. Попробую пояснить.

    По логике получается именно так как пишет Саша и Вы, но применительно к модели вертолета тут вмешивается еще и пресловутая Дельта-3, про которую мало кто пишет, но в той или иной степени она присутствует на всех вертолетах и влияет на изменение угла атаки лопасти при маховых движениях. Взять, к примеру, тот же Тирекс 600, у которого при махах угол атаки увеличивается при движении лопасти вверх и уменьшается при движении вниз, это делает вертолет более вертким при маневрировании. У FAI моделей, насколько я читал(просто не доводилось щупать их руками), все наоборот, Дельта-3 настроена таким образом, чтобы при махе вверх угол атаки уменьшался и наоборот при махе вниз увеличивался.

    Тут то и получается загвоздка, которая меня смущает. С однйо стороны получается, что набегающая лопасть в одном случае будет подниматься вверх и увеличивать угол атаки, т.е. подниматься еще выше, в другом подниматься и уменьшать угол атаки, т.е. в итоге сокрее всего будет опускаться вниз. Вероятно, ФАИ вертолеты типа Хиробо Фрея будет лететь как по рельсам, но и Трекс 600 с его 3D головой не доставляет особых хлопот на быстрых пролетах. Толкового объяснения этому я пока не нашел.

    Кстати, совсем недавно читал заметку про вертолеты команды Outrage. У Велосити голова настраивается в широких пределах, в том числе возможно делать Дельту-3 положительной ,отрицательной или нулевой. Так, как было написано, все пилоты команды используют нулевую дельту, а резвость модели настраивается миксером белла-хиллера и увеличением угла атаки флайбара при управлении. с настройкой флайбара все понятно, но почему отказались от ненулевой дельты - не совсем понятно.

    ОтветитьУдалить
  9. Олег - на самом деле "дельта" (не нулевая) это скорее "паразитный" параметр. Тот, который возникает сам, и не управляется пилотом никак.
    По этому наверно, пилоты и предпочтитают ставить "0"-ю дельту, так же как стараются делать механику на бесфлайбарных головах.
    Что бы не возникало никаких (не положительных, не отрицательных) обратных связей, коей по сути и является эта дельта.
    Так как любая обратная связь, при определённых условиях, может приводить к очень непредсказуемому результату.

    Другое дело "взрослые машины" - там это используют. Но там полёты проходят на режимах, и подобрать параметры настройки один раз, при изготовлении - значительно проще.

    ОтветитьУдалить
  10. Александр про "дельту" абсолютно прав!

    ОтветитьУдалить
  11. Получается, что нулевую дельту делают, чтобы поведение вертолета было более линейным, без лишней обратной связи.

    Текст про махи тоже поправил. Получилось так: "Делая махи отступающая лопасть опускается вниз, наступающая лопасть напротив поднимается вверх."

    Саша, Игорь, спасибо за помощь.

    ОтветитьУдалить
  12. Именно! Ведь в системе с электронным флайбаром первое требование - разместить тягу (и шарик рычага цапфы) строго по середине оси вала. То есть - с нулевой дельтой. Иначе, система может войти в автоколебательный режим, из за наличия паразитной обратной связи.

    ОтветитьУдалить