Лопасти для бесфлайбарного вертолета.

Последнее время в кругах моделистов-вертолетчиков все чаще слышны обсуждения бесфлайбарных систем (FBL). Такие системы уже достаточно давно представлены на рынке и закономерно, что разработчики лопастей, такие как Edge, Curtis Youngblood и другие, исследуют возможность улучшения характеристик работы FBL систем с помощью специальных лопастей. Это вовсе не означает, что бесфлайбарные системы не работают с обычными лопастями, но специальные лопасти могут оказать положительное влияние на летные характеристики вертолета. Если ваша модель постоянно требует триммирования, на маневрах совершает нежелательные движения, а на высокой скорости "козлит", то применение специальных лопастей может уменьшить или полностью исключить эти проявления. В этой статье мы рассмотрим особенности конструкции бесфлайбарных лопастей, чтобы вы могли определить, нужно вам менять лопасти или нет.

Разница между системами с флайбаром и без него. 

Прежде чем перейти к рассмотрению лопастей стоит уделить внимание принципиальным отличиям работы систем с флайбаром и без него. Задача системы стабилизации вертолета состоит в том, чтобы сохранить направление движения и ориентацию модели в любых режимах полета до тех пор, пока пилот не даст команду на изменение курса. Если отпустить стики в любой момент в любом положении вертолета, будь то положение на ноже, в инверте или полет на высокой скорости - модель должна сохранить последнюю ориентацию и направление полета. Во время маневров система стабилизации должна удерживать вертолет от вращения вокруг любой оси кроме той или тех, по которым приходят команды от пилота.

Размер лопаток, их профиль, вес, длина флайбара и отношения миксеров определяют степень стабилизации механической системы.

В случае с флайбаром фиксация ориентации происходит благодаря непрерывному управляющему воздействию от флайбара, обладающего стабильностью благодаря гироскопическому эффекту. Любое внешнее возмущение, например, порыв ветра, будет в определенной степени скомпенсирован флайбаром. Когда пилот желает совершить маневр, управляющее воздействие от сервоприводов заставит флайбар занять новую плоскость вращения и следом за флайбаром последует вертолет, при этом вертолет сохранит ориентацию по другим осям, кроме той, по которой сейчас выполняется маневр.

Во время полета вперед на высокой скорости асимметрия подъемной силы приводит к тому, что вертолет задирает нос и замедляется. Флайбар самостоятельно ориентирует себя к относительному потоку (см. статью про теорию авторотации) и тем самым заставляет ротор постоянно наклоняться вперед без дополнительного управления от стиков. Стабилизирующее управление от флайбара происходит постоянно и без задержек. Регулировка степени стабилизации флайбара производится с помощью изменения веса лопаток, их площади, длины флайбара и пропорции миксеров ротора.

У бесфлайбарной системы задача та же, что и у флайбара - сохранить ориентацию вертолета. В отличии от механического флайбара бесфлайбарная система использует новейшие гироскопы, электронику и изощренные алгоритмы управления.

В бесфлайбарной системе настройка электроники определяет летные характеристики.

Датчики, программное обеспечение и характеристики сервоприводов определяют качество работы системы. Стоит отметить, что несмотря на то, что у FBL систем есть масса преимуществ, они заставляют сервоприводы работать более активно. Вертолеты с флайбаром используют флайбар для стабилизации и сервоприводы для управления. FBL системы используют сервоприводы и для того и для другого, поэтому нагрузка на сервоприводы становится решающим фактором и может повлиять на качество работы FBL системы.

Лопасти по назначению 
Различие между флайбарными и бесфлайбарными лопастями.

Мне посчастливилось обсудить конструкцию FBL лопастей с автором лопастей Radix, чемпионом Мира Кертисом Янгбладом. Я спросил Кертиса - в чем ключевое отличие летных характеристик FBL лопастей. Он объяснил, что ФБЛ лопасти обладают дополнительной гироскопической стабильностью и они менее агрессивные. Обычно лопасть более стабильна, если имеет центр тяжести смещенный к кончику лопасти. Груз, смещенный к внешнему радиусу, увеличивает гироскопическую стабильность диска ротора. (в дополнение к этому смещение груза к кончику увеличивает инерционность ротора и позволяет запасать больше энергии для авторотации). 

Сравнение продольного ЦТ агрессивной лопасти (сверху) и стабильной (снизу).

Более агрессивная лопасть имеет тенденцию к увеличению шага (назовем этот термин подрыв, подрывистая лопасть), помогая сервоприводам, когда шаг увеличивается и препятствуя им, когда шаг уменьшается к нулю. Неагрессивная лопасть стремится занять положение нулевого шага и оказывает сопротивление сервоприводам при маневрировании. Агрессивность лопасти определяется многими факторами, включая форму профиля, хорду и толщину.

Из всех характеристик лопасти только один параметр напрямую влияет на агрессивность: расположение центра давления относительно оси изменения шага. Центр давления это зона, из которой будет действовать подъемная сила, если ее всю стянуть в одну точку. Если центр давления находится перед осью изменения шага, то он создаст момент вокруг этой оси. Момент будет помогать сервоприводам увеличивать шаг лопасти и препятствовать сервоприводам уменьшать шаг. С такими лопастями ротор становится "подрывным" по шагам. Флаттер (треск от срыва потока) - это признак агрессивных лопастей и он часто приводит к чрезмерному изгибанию лопастей и повышенному износу наконечников линков. Если центр давления расположен позади оси изменения шага, то получается обратная ситуация - момент помогает сервоприводам вернуть лопасть к нулевому шагу. 

Центр давления, расположенный впереди относительно оси изменения шага, стремится увеличит шаг лопасти. Перемещение центра давления назад относительно оси изменения шага приводит к появлению момента, уменьшающего шаг лопасти. 

Расположение центра давления относительно оси изменения шага в большей степени определяется балансом лопасти относительно крепежного отверстия в комле. Если подвесить лопасть за крепежное отверстие и дать свободно свисать вниз, то по отклонению лопасти от вертикали можно судить о расположении центра давления. Если лопасть отклоняется в сторону наступающей кромки, то центр давления впереди, если отклоняется в сторону отступающей кромки, то центр давления сзади. Из всех сил, действующих на лопасть во время вращения, преобладает центробежная сила, которая расправляет лопасти и приводит к тому, что центр давления занимает положение, обнаруженное во время статического теста с подвешиванием лопасти.

FBL лопасти конструируются с тяжелой наступающей кромкой, которая отклоняет лопасть в сторону отступающей кромки, поэтому в статичном тесте FBL лопасти не выступают вперед и даже немного отклоняются назад. 

Подвешенная за крепежное отверстие, лопасть отклоняется вперед, если она более агрессивна (слева), и назад, если менее агрессивна (справа). 

Если бы центробежная сила была единственной силой, действующей на лопасть, было бы очень просто определить положение центра давления относительно оси изменения шага. Но сила сопротивления и приводящая сила авторотации, действуя на лопасть, приводят к опережению и отставанию. Во время работы шагом сила сопротивления приводит к отставанию лопасти, что в свою очередь смещает центр давления назад. Во время авторотации приводящая сила немного смещает лопасть вперед. Изменение положения центра давления приводит к постоянному изменению нагрузки на сервоприводы. 

Во время полета под тягой (сверху) сила сопротивления смещает центр давления назад относительно оси изменения шага. Во время авторотации (снизу) приводящая сила двигает лопасть вперед относительно оси изменения шага. Точное положение не совсем совпадает с приведенным на рисунке. Рисунок показывает относительное перемещение. 

В работе лопастей и в определении положения центра давления слишком много переменных. Кертис прошел длинный путь проб и ошибок, подбирая характеристики лопастей для каждого конкретного применения. В настоящее время на рынке доступны 4 типа лопастей Radix: FAI, FBL, Стандартные и SB (Stick Banger). В порядке увеличения агрессивности: FAI лопасти самые стабильные, SB самые агрессивные. Для FAI полета нужны более стабильные лопасти, которые позволяют минимизировать влияние внешних воздействий и тем самым уменьшают необходимость в подруливании. Совсем другое дело – 3D полет на флайбарном вертолете. Лопасти Radix SB дают наиболее быстрый отклик на управление для флайбарного вертолета. В случае с FBL вертолетом более стабильные FBL лопасти никак не ограничивают маневренность, напротив, позволяют улучшить характеристики управления.

Лопасти Radix FBL имеют более высокую гироскопическую стабильность и сниженную агрессивность, которые позволяют получить более предсказуемую нагрузку на сервоприводы во время полета. Центр давления не расположен слишком далеко впереди, чтобы не создавать флаттер и излишнюю нагрузку на сервоприводы, Но также центр давления не находится слишком далеко сзади, иначе ротор будет слишком медленно реагировать на управление. Лопасти разработаны с тем расчетом, чтобы оказывать как можно меньше влияния на работу FBL системы.

Заключение

Надеюсь, что после прочтения этой статьи вы поймете, что в FBL лопастях нет ничего магического. Это всего лишь еще одна возможность тонкой настройки работы системы. Возможно те лопасти, что у вас уже есть, дают достаточный уровень стабильности и агрессивности для работы FBL системы. Прежде чем покупать FBL лопасти, убедитесь, что лопасти, которые у вас уже есть, точно не обладают требуемыми характеристиками. Проверьте как лопасти ведут себя, будучи подвешенными за крепежное отверстие, где расположен продольный центр тяжести по отношению к тем лопастям, которые вы хотите приобрести. Если вы обнаружите, что ваши лопасти уже обладают характеристиками, подходящими для FBL системы, то лучше попробуйте провести дополнительную настройку системы стабилизации. Если вы уверены, что используете нестабильные лопасти с агрессивным характером, и система стабилизации вынуждена “сражаться” с ними, чтобы поддержать ориентацию и прямолинейность движения модели, то попробуйте специальные FBL лопасти. Вероятнее всего они помогут.

Автор: Арт Корал

Статья опубликована в RCHeli Январь 2011

Перевод и иллюстрации: aarc