Комплекс конструкторских разработок "Сызрань-3"
|
Библиотека
|
Мускулолет вертолетного типа «Сызрань-2»
Актуальность проекта
Проектированием и изготовлением мускулолетов вертолетного типа занимается большое количество коллективов. В 1989 году студенты Калифорнийского технического института построили мускулолет «Da Vinci III», который продержался в нескольких сантиметрах от земли семь секунд. В 1994 году в техническом колледже университета Nihon японская машина «Yuri I» установила ныне действующий мировой рекорд, равный 19,46 с. В университете штата Британская Колумбия в Канаде ведутся работы над мускулолетом «Thunderbird».
Несмотря на ничтожно малую вероятность отрыва от земли подобного аппарата Международная ассоциация мускульных машин назначила премию И.Сикорского в $20000 за создание мускулолета, который продержится на высоте 3м на ограниченном пространстве 10х10 м не менее минуты. Почему? Работа над подобными проектами сопровождается появлением новых идей, их воплощением в жизнь, созданием новых изделий, которые в дальнейшем могут быть использованы в других областях, а также дает студентам знания, умения и навыки, которые невозможно приобрести на занятиях.
Предварительный анализ показал, что мускулолеты вертолетного типа в настоящем виде – это громоздкие конструкции с несущим винтом большого диаметра (30 м и более), не имеющие системы управления. Очевидно, такие конструкции не могут применяться в практических целях. В то же время несущий винт относительно небольшого диаметра (6 - 8 м) не позволяет осуществить подъём мускульной силой, как и следует из формулы Н.Е.Жуковского. Для такого винта потребная мощность на режиме висения будет около 5 л.с. (для создания тяги в 80 кг), тогда как среднестатистический человек может развивать мощность 1 л.с. (0,736 КВт) в течение нескольких минут, при отдельных движениях (прыжок с места, рывок при поднятии тяжести) развивает мощность до 1.5 - 3.5 кВт (2.5 - 4.5 л.с.), а при интенсивной работе длительностью до 5 мин (гребля, велосипедные гонки) развивает мощность до 0.4 - 1.5 кВт (0.5 - 2.0 л.с.).
С другой стороны, можно отойти от требований премии И.Сикорского. В таком случае идеальным решением будет являться сверхлегкий вертолет. Но у сверхлегкого вертолета имеется один недостаток – он не имеет мускульного привода. Чтобы устранить этот недостаток, можно спроектировать мускулолет для практического применения – предусмотреть в конструкции накопитель энергии и/или использовать для подъема над землей внешний привод, либо доставку на высоту различными способами (например, катапульта или вышка).
Цель проекта – разработать и изготовить прототип транспортного средства на мускульной тяге вертолетного типа для отработки основных методов проектирования и изготовления подобных механизмов.
Задачи проекта
1) провести анализ существующих конструкций, наметить пути снижения массы и габаритов, оценить принятые конструкторские решения;
2) провести теоретические исследования в области обеспечения повышения КПД несущего винта и жесткости всей конструкции при одновременном снижении массы;
3) разработать новые конструкторские решения, в т.ч. узла управления аппаратом, складной компоновочной схемы, узла несущего винта;
4) изготовить опытный образец и провести его натурные испытания;
5) разработать схемы аппарата, доступные для широкого использования населением, а также принципиальные схемы аттракционов на их основе;
6) дать рекомендации по дальнейшему развитию проекта.
Анализ существующих конструкций
В ходе работы над проектом были рассмотрены конструкции существующих мускулолетов вертолетного типа (сокращенно – МВТ). Их анализ показал, что это – громоздкие аппараты с несущим винтом (сокращенно – НВ) диаметром порядка 30 метров, не имеющие системы управления и средств обеспечения безопасности полета.
Лучшее достижение среди МВТ на данный момент принадлежит аппарату Yuri I – подъем на высоту 20 см и зависание в течение 19 секунд (1994 год). Очевидно, такие мускулолеты непригодны для практического использования.
Первым шагом к практическому использованию МВТ является уменьшение диаметра НВ. Но, как следует из формулы Жуковского, при этом возрастает потребная мощность, следовательно, мускульной тяги становится недостаточно для обеспечения полета, и появляется необходимость в дополнительной энергии.
Нами был рассмотрен вариант установки на МВТ двигателя небольшой мощности дополнительно к педальному приводу. Но предварительная оценка показала, что масса аппарата при этом значительно возрастает, мощность двигателя превосходит мощность человека в несколько раз, и мы получаем не мускулолет с дополнительным приводом от двигателя, а вертолет с педалями.
Итак, анализ показал, что любой мускулолет вертолетного типа – это конструкция, создаваемая исключительно для выполнения условий премии Сикорского, и такой аппарат не может использоваться в каких-либо практических целях. Это обусловлено несколькими причинами:
В то же время, анализ показал, что уже существует множество различных конструкций сверхлегких вертолетов (сокращенно – СЛВ). В нижеследующей таблице показаны сравнительные характеристики некоторых СЛВ. Эти аппараты успешно летают, имеют НВ диаметром порядка полутора метров. Но их главный недостаток – отсутствие мускульного привода.
1) Ни один из мускулолетов не способен на сколько-нибудь продолжительный полет, лучшее достижение – это зависание на высоте 20 см в течение 19 с.
2) Исходя из расчета по формуле Жуковского, для отрыва от земли усилиями человека необходимо создавать винт большого диаметра (30 метров и более), либо несколько винтов меньшего диаметра, что подтверждают конструкции рекордных аппаратов.
3) В конструкциях мускулолетов нет систем управления и обеспечения безопасности полета.
4) Для успешного решения задачи снижения массы конструкции, в мускулолетах должны применяться особо легкие и прочные материалы, обладающие очень высокой стоимостью.
Сверхлегкие вертолеты свободны от названных выше недостатков: они вполне успешно летают, малогабаритны, маневренны, относительно безопасны и могут изготавливаться из менее дорогих и более тяжелых материалов. Но эти летательные аппараты нецелесообразно применять в индустрии развлечений. Это видно из следующих фактов:
1) СЛВ приводится в движение двигателем, и пилот осуществляет только управление полетом. Отсутствие мускульного привода не позволяет использовать СЛВ в качестве средства активного отдыха в полном смысле слова, а также не дает возможности осознавать полет собственными усилиями.
2) СЛВ имеет двигатель, следовательно, является источником шума и загрязнения воздуха. Это является серьезным препятствием для использования в таких местах, где люди ищут отдых от шума и выхлопа машин.
Для использования в качестве аттракциона, летательный аппарат не обязан обладать высокими скоростью, маневренностью и грузоподъемностью. Здесь уместно вспомнить водный велосипед, движущийся весьма размеренно и не обладающий высокой маневренностью, но до сих пор не теряющий свою популярность.
Концепция летательного аппарата, предназначенного для индустрии развлечений и для активного отдыха
1) Для обеспечения относительно продолжительного полета с применением несущего винта достаточно малого диаметра, летательный аппарат должен обладать накопителем энергии и/или внешним приводом небольшой мощности.
2) Для использования в качестве аттракциона, конструкция должна иметь средства управления и обеспечения безопасности полета.
3) С целью понижения себестоимости аттракциона, конструкция не должна изготавливаться из особо дорогих материалов.
4) Для исключения излишнего шума и загрязнения воздуха желательно использовать мускульную или электрическую энергию. Мускульный привод делает аппарат средством активного, полезного для здоровья отдыха и дает пилоту осознание полета собственными силами.
Для МВТ для практического использования был спроектированы: соосный НВ с непересекающимися ометаемыми площадями, дифференциальный редуктор, колесное шасси, разборная пространственная рама и упрощенная система управления.
Несущий винт
При проектировании несущего винта мускулолета авторы столкнулись с тремя основными проблемами: обеспечение жесткости с одновременным снижением массы лопасти, а также повышение КПД винта. На основе собственных расчетов и экспериментальных исследований, для каждой из названных проблем были предложены решения.
Рис. 1. Расположение несущих винтов
Для решения вопроса увеличения КПД винта (с одновременным отказом от использования рулевого винта) было предложено соосное расположение двух или четырех винтов, ометаемые площади которых не пересекаются и представляют собой кольца (рис. 1). В ходе проектирования несущего винта был проработан вариант с двумя винтами. Верхний винт – меньшего диаметра (рис. 2), во избежание ухудшения условий работы нижнего винта под вращающейся балкой винта большего диаметра (рис. 3).
Рис. 2. Общий вид лопасти нижнего винта Рис. 3. Общий вид лопасти верхнего винта
Коэффициент заполнения σ
Величина σ выбирается в пределах 0,03 — 0,08. Уменьшение σ сверх указанных пределов невыгодно, так как с уменьшением площади лопасти для создания необходимой подъемной силы потребуется увеличить угол установки лопасти.
Увеличение σ более 0,08 за счет увеличения площади лопасти или числа лопастей также невыгодно, так как это снижает КПД несущего винта.
В нашем случае необходимо максимально уменьшить вес лопасти и добиться минимальных потерь в КПД, поэтому принимаем σ = 0,05.
Количество лопастей несущего винта
Наиболее выгодными несущими винтами, удовлетворяющими требованиям уравновешенности и обладающими достаточно хорошим коэффициентом полезного действия, являются трехлопастные и четырехлопастные воздушные винты. Уменьшение числа лопастей приводит к неуравновешенности винта и вследствие этого к вибрациям конструкции вертолета.
Вследствие большого диаметра винта, для облегчения массы лопасти принимаем четырехлопастной винт, так как его лопасти будет иметь меньшую площадь, а, следовательно, меньшие размеры и массу, по сравнению с трех- или двухлопастным винтом.
Форма лопастей в плане
Наиболее распространены лопасти трапециевидной формы с сужением ее к концу. Такая форма лопасти является наиболее выгодной. Хорда ее у комля примерно в 2 раза больше хорды на конце. Несмотря на то, что влияние формы лопасти на величину тяги сравнительно с влиянием других параметров невелико, для облегчения массы принимаем трапециевидную форму лопасти.
Геометрическая крутка лопасти
Обычно лопасти несущих винтов вертолетов имеют отрицательную линейную крутку, так что у комля они работают на больших углах атаки. Это дает более равномерное распределение аэродинамических сил вдоль лопасти и уменьшает индуктивные потери несущего винта, вызываемые неравномерностью распределения потока. Недостаточная эффективность малой окружной скорости комля по сравнению с окружной скоростью конца лопасти частично компенсируется увеличением коэффициента подъемной силы cy за счет увеличения угла атаки α и за счет большей величины хорды лопасти. Принимаем отрицательную линейную крутку лопасти с изменением угла атаки α с 10° у комля лопасти до 8° у конца лопасти.
Для облегчения изготовления и транспортировки лопастей было принято решение изготавливать сборные лопасти.
Таблица 1
Физические свойства материалов для изготовления каркаса лопасти
| Материал | Плотность, кг/м3 | Модуль упругости, МПа |
| Углепластик | 1 400 | 14 600 |
| Алюминий | 2 710 | 71 000 |
| Дерево | 600 | 9 000 |
| Магниевый сплав | 1 800 | 45 000 |
Из таблицы 1 видно, что наилучшими свойствами обладают магниевые сплавы. Однако, достать магниевые трубы достаточно сложно. Исходя из имеющихся возможностей, выбираем материал для изготовления каркаса – алюминиевые сплавы.
Каркас лопасти состоит из несущей балки и нервюр.
Нервюры имеют квадратные отверстия, в которые вставляется несущая балка при сборке. Они располагаются через равные интервалы в 0,25 м по всей длине сектора.
Сечения несущих балок были выбраны исходя из максимально возможного размера отверстий в промежуточных ребрах жесткости.
Рама
Рама, представляющая собой пространственную конструкцию, имеет большую устойчивость, по сравнению с моделями, устанавливающимися на треногу. Так же использование пространственной конструкции увеличивает жесткость рамы без значительного увеличения веса и позволяет применять более легкие материалы с пониженными прочностными характеристиками. Поэтому для конструкции была выбрана рама, имеющая пространственное строение.
Рис. 4. Сборочный чертеж пространственной рамы мускулолета
Рис. 5. Пространственная рама мускулолета: 1– кронштейны, 2–косынки.
Основными опорами рамы являются элементы 1,8 и 14. Спинка кресла пилота крепится к балке 5, а сиденье к балке 3, так как пилот находится в мускулолете в полулежащем положении, то угол между элементами 5 и 3, был выбран равным 120?, как наиболее эргономичный. Элементы 7 служат для предотвращения смещения хвостовкой части мускулолета, они работают на сжатие, в том случае когда мускулолет находится на земле, и на растяжение, при нахождении мускулолета в воздухе. Опоры 8 соединяются поперечной балкой 11, на которую и приходится большая часть веса пилота.
Материал рамы был выбран по тем же принципам, по которым был выбран материал для направляющей лопастей. Самым подходящим является алюминиевый сплав.
Особенностью спроектированной для мускулолета «Сызрань-2» рамы является разборная конструкция, позволяющая легко осуществлять транспортировку (в том числе и скрытную). Для разъемного соединения элементов рамы применяются кронштейны и косынки (рис. 5). На рис. 6 показана схема соединения труб различных сечений с помощью косынок.
Рис. 6. Схема соединения труб различных сечений с помощью косынок:
1– труба большего сечения, 2– труба меньшего сечения, 3,4– косынки, 5,6– прокладки, 7– болт, 8– шайба граверная, 9– гайка.
Передаточный механизм
Передаточный механизм от педального узла к редуктору выбирался из принципов простоты конструкции и малого веса. Оптимальным решением является ременная передача, позволяющая передавать крутящий момент между двумя взаимно перпендикулярными валами
Для передаточного механизма была предложена схема ременной передачи, изображенная на рис. 7.
Рис. 7. Ременная передача мускулолета «Сызрань-2»
Так как ремень, идущий с педалей на шкив редуктора, передает движение из вертикальной плоскости в горизонтальную, существует возможность его соскальзывания и вылета из шкива. Для устранения этого были установлены направляющие ролики.
Все ролики в передаче изготовлены из текстолита. Этот материал был выбран по следующим причинам: текстолит имеет небольшую плотность, довольно высокую механическую прочность.
Оптимальным решением для использования в передаточном механизме являются клиновые или зубчатые ремни. Но ремню приходится передавать вращение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, что ведет к сильному изгибу и скручиванию. Клиноременные и зубчатые ремни не обладают возможность передавать движение в данных условиях. Поэтому был выбран ремень круглого сечения из полиуретана. Это компактные и прочные приводные ремни способные передавать большую мощность, их можно использоваться в передачах с большим числом оборотов (более 10000 об/мин.). Так же полиуретановые ремни отличаются хорошей эластичностью и гибкостью, высокой устойчивостью к абразивному истиранию.
Необходимо было спроектировать редуктор, позволяющий суммировать два потока мощности и распределить ее между двумя винтами, вращающимися в противоположные стороны. Для решения первой задачи была спроектирована дифференциальная передача (рис. 8).
Рис. 8. Дифференциальный редуктор (общий вид).
На корончатое колесо 2 через педальный узел и ременную передачу подается мощность пилота (рис. 9). Эта деталь также является шкивом ременной передачи. На солнечную шестерню 1 – внешняя энергия. Ведомым элементом является водило 4, которое через сателлит 3 будет передавать суммарную мощность на следующую ступень редуктора.
Рис. 9. Первая ступень дифференциального редуктора
Для распределения суммарной мощности между винтами необходимо добавить вторую ступень (рис. 10). Водило 4 передает мощность непосредственно на верхний винт, а на нижний винт через паразитное колесо 6 и корончатое колесо 7. Внешнее зацепление колес 7 и 6 позволяет получить крутящие моменты, направленные в противоположные стороны. Кинематическая схема разработанного редуктора представлена на рис. 11.
Рис. 10. Вторая ступень дифференциального редуктора
Рис. 11. Кинематическая схема дифференциального редуктора: 1– солнечная шестерня, 2– корончатое колесо, 3– сателлит, 4– водило, 5– ось, 6– паразитное колесо, 7– корончатое колесо.
Педальный узел
Для возможности осуществления авторотации связь между несущим и дополнительным винтам должна существовать постоянно. Поэтому для изготовления педального узла стандартная каретка не подходит, так как после остановки вращения педалей она разрывает связь между винтами.
Поэтому с целью сохранения возможностью авторотации и уменьшения массы педальный узел был изготовлен заново (рис 12, 13). За основу были взяты размеры подшипников 202 серии.
Шкивы ременной передачи 18,16 крепятся непосредственно к рычагам педалей 15. Для этого конструкция рычагов была изменена: были добавлены дополнительные отверстия для крепления шкивов и в целях упрощения конструкции и облегчения изготовления деталей рычаги, для установки на вал, имеют цилиндрическое отверстие.
Ось устанавливается во втулку рамы, от осевого смещения её удерживают крышки узла, затем на ось устанавливаются и штифтуются рычаги, с уже заранее установленными на них шкивах ременной передачи.
Для облегчения конструкции все элементы были выполнены из алюминиевого сплава кроме покупных деталей: подшипники и педали. Масса полученного узла согласно расчетам в программе CATIA V5 составляет 1кг.
Рис. 12. Педальный узел в сборе.
Рис. 13. Общий вид педального узла.
Система управления
Мускулолет вертолетного типа «Сызрань-2» проектируется для практического применения и в отличие от существующих мускулолетов должен иметь систему управления. В качестве способа управления были рассмотрены вертолетный автомат перекоса и управление рулем. Управление рулем малоэффективно при небольших скоростях движения летательного аппарата, поэтому его применение на мускулолете вертолетного типа нерационально.
Авторами была выбрана схема управления с помощью упрощенного автомата перекоса (поворотом оси несущего винта в продольном направлении) (рис. 14). При этом для упрощения конструкции и уменьшения ее массы применяется винт фиксированного шага. Авторы считают такое упрощение рациональным при использовании аппарата в качестве развлекательного средства и при небольших угловых скоростях вращения несущего винта. При использовании аппарата в развлекательных целях нет необходимости в высокой маневренности. Малая же угловая скорость вращения несущего винта обуславливает небольшие динамические нагрузки на лопасти.
Таким образом, управление будет осуществляться за счет подвода энергии пилота и за счет наклона оси несущего винта в направлении движения. Изменение наклона оси несущего винта позволит изменять скорость движения и двигаться в обратном направлении. На взгляд авторов, эти возможности управления достаточны для применения в развлекательных целях.
Рис. 14. Система управления мускулолета «Сызрань-2»
Шасси
Шасси летательного аппарата — часть летательного аппарата, служащая для его передвижения по аэродрому при взлёте и посадке и для смягчения ударов, возникающих в момент приземления. На летательные аппараты могут устанавливаться колёсные шасси, поплавки, лыжи и гусеницы. У небольших летательных аппаратов шасси, как правило, не убирается и имеет конструкцию, допускающую замену колёс лыжами или поплавками.
Основными элементами шасси летательного аппарата являются:
- амортизационные стойки
- колёса (пневматики), снабженные тормозами для уменьшения длины послепосадочного пробега
- система раскосов (стержней), воспринимающих реакции земли и крепящих амортизационные стойки и колёса к крылу и фюзеляжу
- амортизационные стойки
- колёса (пневматики), снабженные тормозами для уменьшения длины послепосадочного пробега
- система раскосов (стержней), воспринимающих реакции земли и крепящих амортизационные стойки и колёса к крылу и фюзеляжу
Мускулолет «Сызрань-2» проектируется для практического использования, поэтому не может обходиться без шасси, как обходятся рассмотренные мускулолеты. При проектировании шасси для аппарата «Сызрань-2» за прототип было взято шасси автожира Falcon Traveller. Такой выбор прототипа объясняется тем, что и мускулолет, и автожир используют авторотацию несущего винта и являются по-существу похожими аппаратами. Шасси мускулолета «Сызрань-2» показано на рис. 15.
Рис. 15. Шасси мускулолета «Сызрань-2»
Технические характеристики аппарата:
| Рама | пространственный четырехопорный каркас с элементами пассивной безопасности |
| Амортизаторы | пружинного типа |
| Кабина | полузакрытого типа |
| Привод | мускульная тяга |
| Накопители энергии | есть |
| Внешний подвод энергии | есть |
| Потребная мощность | 300-1000 Вт |
| Передаточный механизм | дифференциальный редуктор и ременный вариатор |
| Сечение ремня | круг |
| Передаточное число | до 1:20 |
| Число пилотов | 1 |
| Компоновка винтов | Соосная |
| Диметр верхнего несущего винта | 3 м |
| Диаметр нижнего несущего винта | 6 м |
| Число лопастей несущего винта | 4 |
| Угол атаки лопастей несущего винта | 9° |
| Коэффициент заполнения несущего винта | 0,05 |
| Число оборотов несущего винта | 100-150 об/мин |
| Общая масса | 20 кг |
| Грузоподъёмность | 60 кг |
| Теоретическая взлетная масса | 80 кг |
Область применения
Проектируемый мускулолет вертолетного типа предназначен для эксплуатации в первую очередь в качестве тренажера, развлекательного (спортивного) средства, а также научно-исследовательского оборудования и военного сверхлегкого летательного аппарата.
Рассмотрим некоторые варианты использования данного аппарата в качестве аттракциона (рис. 16) и развлекательного транспортного средства (рис. 17).
Описание следующих аттракционов приводится на примере использования высотной стартовой площадки для доставки аппарата на нужную высоту. Это лишь один из методов доставки аппарата на необходимую высоту (могут также применяться катапульта, раскручивание несущего винта внешним приводом и др.).
1) «Полет на дальность». Пилот стремится достичь максимальную дальность перемещения при полете на режиме авторотации, увеличивая продолжительность и дальность полета, прилагая собственные мускульные усилия;
2) «Мишень». Пилот старается осуществить спуск точно на обозначенную площадку на режиме авторотации;
3) «Слалом». Пилот выполняет полет с прохождением условных «ворот», с огибанием условных препятствий;
Рис. 16. Схема площадки для аттракционов «Полет на дальность», «Мишень» и «Слалом»: 1– мускулолет, 2–платформа, 3–направляющая, 4–условные «ворота», 5–«мишень»
4) Произвольный полет (рис. 17). Пилот осуществляет произвольный развлекательный полет на режиме авторотации, увеличивая продолжительность полета, прилагая мускульные усилия;
Рис. 17. Произвольный полет