Мартин Хольман (Martin Hollman) - одна из наиболее публичных фигур в американской любительской авиации. Профессиональный авиаконструктор, Хольман сочинил и построил несколько самолетов и два автожира, написал ряд популярных книг, в том числе по конструированию самолетов и автожиров, работе с композитными материалами, технике пилотирования автожиров, а также участвовал в ряде интересных проектов в легкой авиации. На сайте компании Хольмана предлагается ряд книг и программного обеспечения для конструкторов и пилотов самолетов и автожиров. Справедливости ради следует заметить, что американские коллеги оценивают его труды неоднозначно.

Предлагаемая статья была опубликована в февральском выпуске журнала Rotorcraft за 2003 год. Перевод  (с): Mr.Twistair , 2003 г.

О ламинарных профилях и не только о них

Правильный выбор профиля весьма важен для проектирования ротора автожира. Чтобы сделать это, необходимо взглянуть на историю освоения ламинарных потоков и увидеть, что делалось в этом направлении среди автожиров и вертолетов в прежние времена.

Два наиболее распространенных у вертолетчиков профиля - это NACA 0012 (рис.1) и  NACA 23012 (рис.2). Профиль NACA 23012 применен на вертолетах S-67 Blackhawk, Westland Mk2 Commando и Lockheed XH-51A. Профиль NACA 0015, чьи характеристики сходны с NACA 0012, использован на вертолете Hughes 300 и автожире McCulloch J-2, который был сертифицирован с несущей системой от вертолета Hughes 300. Профиль NACA 23012 использован и на вертолете MBB Bo-105. Эти профили имеют момент по шагу близкий или равный нулю и их аэродинамический фокус не смещается при изменении шага. Это минимизирует вибрации и крутильные нагрузки, вызываемые изменением шага, что делает их идеальными для лопастей несущего винта вертолета.

Рис.1 Профиль NACA 23012

Профиль NACA 23012, однако, имеет гораздо больший процент ламинарного обтекания, чем NACA 0012, в результате сопротивление трения на нем намного ниже, чем у NACA 0012. Ламинарный поток достигается при благоприятном градиенте давления (уменьшение давления) над профилем (в данном случае "над" подразумевает "вблизи" как верхней, так и нижней части профиля. - М.Т.). При нулевом угле атаки только передние 10 % профиля NACA 0012 имеют ламинарное обтекание. На остальных 90 % присутствует турбулентное обтекание со свойственным ему высоким сопротивлением трения.

У профиля NACA 23012 на нулевом угле атаки ламинарный поток существует на 30 % хорды по верхней и 60% нижней части профиля, что в результате снижает профильное сопротивление в два раза по сравнению с NACA 0012.

Профиль NACA 23012 появился в Ленгли в 1935 году и был одним из лучших, что разработал Истмен Якобс (Eastman Jacobs). Он почти идентичен профилю М12, который

Рис.2 Профиль NACA 0012

Рис.3 Профиль N.A.C.A. M12

Рис.4 Профиль N.A.C.A. M6

Рис.5 Лопасть автожира Сиервы С.19 Mk IV с профилем Gottingen 606

Рис.6 Лопасть автожира Сиервы С.30 с профилем Gottingen 606

разработал в 1923 году Макс Мунк. Мунк был студентом Людвига Прандтля, в 1920 году он приехал в США из Германии и привез с собой современные взгляды на аэродинамику. Он также предложил и построил первую аэродинамическую трубу изменяемой плотности (VDT) с Ленгли в 1921 г. Использование такой трубы позволяет проводить испытания на требуемых числах Рейнольдса. Этот профиль и сейчас применяется на многих самолетах, в том числе, на Beech Bonanza. Этот профиль, хоть он и способствовал успеху "Бонанзы", отличается резкой границей срыва.

Рис.7 Сечение по А-А

Большинство как первых, так и современных автожиров не используют и не использовали эти профили. На обтянутой тканью лопасти ротора автожира С.19 Mk IV (рис.5, 7) использовался профиль Gottingen 606 (18%), разработанный Людвигом Прандтлем в Германии в 1918 г. На этом автожире также использовался и 12-процентный профиль N.A.C.A. M6 (рис.4), разработанный Максом Мунком в Ленгли в 1923 году для ротора, построенного из бальсы и обтянутого тканью. Крутящие моменты и центробежные нагрузки каждой из лопастей нес силовой набор из стальных труб. Автожир С.19 строился в Англии и в 1929 г. было построено около 100 машин. Однако всего через год в строю осталось только 19 из них - большинство было повреждено в инцидентах при рулении. Профиль Gottingen 606 не имел ламинарного потока, но даже если бы имел, то это вряд ли помогло бы, т.к. тканевая обшивка  лопасти имела довольно грубую форму и не могла точно повторить профиль. С другой стороны, профили NACA М6 и NACA 23012 имеют ламинарную часть, а бальсовая поверхность лопастей сохраняла форму профиля, что давало таким лопастям гораздо лучшие характеристики.

Несмотря на это преимущество, в автожире С.30, который начал выпускаться в 1933 году, были использованы лопасти с профилем Gottingen 606. С.30 был первым автожиром с прыжковым стартом, для которого использовалось предварительное раскручивание лопастей до оборотов в полтора раза выше полетных. Это требовало, чтобы лопасти имели большую жесткость на кручение и меньшую толщину профиля. Три лопасти постоянной хорды 11 дюймов при диаметре 37 футов давали коэффициент заполнения 0.0472, что при взлетном весе 1900 фунтов (860 кг) давало нагрузку на ометаемую 8.6 кг на кв. метр. Этот автожир имел приличные летные характеристики даже с маломощным 140-сильным двигателем Civet I. С двумя человеками на борту с полной заправкой аппарат имел максимальную скорость на уровне моря 94 мили в час, минимальную скорость горизонтального полета 32 мили в час, скороподъемность 1.8 м/сек.

Современные автожиры

В 1964 г. мне захотелось самому спроектировать двухместный автожир. Главной целью при этом было желание оптимизировать проектные параметры, чтобы получить хорошо летающий аппарат. Первостепенное значение при этом имела разработка ротора, поскольку я понимал, что другие двухместные автожиры в то время имели ограниченные возможности просто потому, что у них не было правильного ротора. Изучая ранние материалы по автожирам, я обнаружил профиль NACA М6, а также - профиль NACA 8-Н-12, разработанный значительно позже для вертолетов. Характеристики и форма этих профилей очень похожи.

Рис.8

Далее, в соотвествии с "Аэродинамикой вертолета" Гессоу-Майерса на рис.9...11 показано, что коэффициент сопротивления профиля NACA 8-Н-12 ниже, чем для NACA 23012 в области малых коэффициентов подъемной силы для числа Рейнольдса 2.6х10⁶. Для эффективной работы ротора автожира нагрузка на ометаемую должна быть не выше 8.7 кг/кв.м, как показано в моем докладе "Проект легкого двухместного автожира", написанном в 1974 г. для университета Флориды в Орландо. Поскольку при этом лопасти работают в области малых коэффициентов подъемной силы, это делает такой профиль идеальным для самовращающихся лопастей. См. рис.9.

Посмотрим, какие числа Рейнольдса относятся к ротору автожира. Большинство роторов автожиров имеют концевую скорость лопасти около 160 м/сек, то скорость элемента лопасти на 75 % размаха равна примерно 120м/сек. 75% рассматривается  из тех соображений, что именно на этом радиусе создается максимум подъемной силы за полный оборот ротора. Подставляя эти числа в формулу, получаем для 9-дюймовой лопасти число Рейнольдса R=1.8х10⁶. Определение числа Рейнольдса важно, поскольку достичь ламинарного потока для малых R заметно сложнее, чем для  высоких. Полученное число Рейнольдса показывает, что ламинарный поток может быть реализован для данных профилей.

Между прочим, ранние автожиры Бенсена имели деревянные лопасти с профилем G2 (рис.10), разработанным Игорем Бенсеном. Позже были разработаны металлические лопасти, в которых нижняя поверхность профиля была плоской. Кривизну имела только верхняя поверхность профиля, а задняя кромка была слегка отогнута вверх. Оба этих профиля были разработаны с тем, чтобы вписываться в технологию изготовления лопастей. Деревянные лопасти были слишком гибкими и имели проблемы с устойчивостью, а металлические имели ряд особенностей, ухудшающих их характеристики.

Одна из этих особенностей - использование заклепок с круглыми шляпками для крепления обшивок к экструдерному лонжерону. Эти заклепки устанавливались сверху и снизу лопасти, что создавало не только дополнительное сопротивление формы, но и вызывало возмущение потока до самой задней кромки.

Вторая особенность состояла в том, что листовой алюминий, применявшийся для верхней обшивки, сгибался путем прокатывания в вальцах наподобие старинных приспособлений для отжима белья. Поскольку вальцы были короткими, получаемые панели также были коротки. Между ними на обшивке оставались щели, позволявшие воздуху перетекать изнутри лопасти наружу через верхнюю обшивку. Поскольку перепад давления в этом случае достаточно большой, плюс он еще увеличивается наличием центробежных сил, выдавливание воздуха наверх было весьма значительным и оно разрушало ламинарное обтекание. Несмотря на это, металлические лопасти были гораздо жестче и стали существенным улучшением по сравнению с деревянными.

На основании этой информации и просчитав характеристики с помощью кривых потребной/располагаемой мощности,  я выбрал для своего двухместного "Спортстера" профиль NACA 8-Н-12. Это было в 1968 г. Еще до этого Юкка Тервамяки в Финляндии выбрал NACA 8-Н-12 для своих лопастей из стеклопластика и пенопласта с алюминиевой передней кромкой*, сделанных для автожира JT-5 в 1959 г. В 1960 году JT-5, этот прекрасный одноместный автожир был продан Витторио Магни в Италию и получил название МТ-5. После этого в США о нем практически не слышали.

"Спортстер" с цельнометаллическими лопастями НА-28 летал хорошо, поскольку выбор профиля был правильным и - я хорошо сделал свою работу. Несмотря на то, что я наверняка необъективен, я думаю, что "Спортстер", впервые полетевший в 1974 году, до сих пор остается одним из лучших в мире двухместных автожиров. Он без проблем поднимал в воздух двух 90-килограмовых пассажиров с полной заправкой топливом.

Автожир McCulloch J-2 не мог сделать этого, поскольку его ротор был неправильным, а нагрузка на ометаемую - слишком высока (14 кг/кв.м).  И это при том, что на нем стоял 210-сильный двигатель Lycoming, а на "Спортстере" - 130-сильный Franklin.

В 1980 году я разработал лопасти для одноместного автожира (BumbleBee - Прим.перев.) с авиационным двигателем, для которого лопасти Бенсена были слишком малы. Мои лопасти состояли из металлического носка и пенопластового заполнителя, со стеклопластиковыми обшивками. Диаметр ротора при хорде 8 дюймов составлял 23 фута, использовался профиль NACA 8-Н-12. Эти лопасти имели ламинарное обтекание и их характеристики впечатляли по сравнению с металлическими, о чем я уже писал в статье "Проектирование лопастей ротора" в июньском выпуске Rotorcraft  2001 года. Потребная мощность для них была примерно на 12 % меньше, чем для металлических неламинарных лопастей Rotordyne и на 23 % меньше, чем для металлических лопастей Бенсена. Профиль NACA 8-Н-12 использовался и в других роторах, например, SkyWheel.

Для получения ламинарного обтекания важно, чтобы лопасти были чистыми - от грязи и мошкары на передней кромке. Большинство винтокрылых аппаратов летают на высотах меньше 1000 м, где как раз живут и летают жучки и мошкара. Их остатки на передней кромке разрушает ламинарный поток от самой передней до задней кромки. Из-за этого я всегда перед полетом очищаю лопасти ротора ветошью. Летать лучше всего рано утром, пока жуки не проснулись.

Р-51 "Мустанг"

В выпуске Rotorcraft за июнь-июль 2002 г. в статье "Два комментария к ламинарным профилям" обсуждались преимущества ламинарного профиля, примененного на самолете Р-51 "Мустанг".

Утверждалось, что ламинарный профиль на этом самолете улучшил его характеристики. На самом деле все как раз наоборот.

Хотя крыло клепалось впотай, ламинарный поскольку даже такие небольшие турбулизаторы как жучки размером 1 мм нарушали пограничный слой и вызывали возмущение потока.

Если ламинарный профиль обтекается возмущенным потоком, то его характеристики могут быть хуже, чем характеристики неламинарного профиля.

Кроме того, высоколаминарные профили (вспомните NACA 23012) обычно имеют плохие срывные характерстики.

Крыло самолета Р-51 сужалось к законцовкам и не имело крутки. Поскольку срыв на таком крыле происходит от законцовок, самолет входит в штопор, из которого выходит с трудом, поскольку имеет небольшое вертикальное оперение. Для Р-51 не была необычной потеря до 300 м высоты для вывода из сваливания. РЛЭ самолета Р-51D предупреждает пилотов об опасности сваливания на этом самолете и все пилоты Р-51, с которыми я говорил, знают это.

С 1931 по 1935 год Истмен Якобс, работая на VDT в Ленгли, систематически разрабатывал и испытывал все 4- и 5-разрядные профили NACA. NACA 23012 был лучшим в смысле низкого Сх и высокого Су.

В 1938 году он обнаружил, что если развернуть профиль задом наперед к потоку, то его Сх становится существенно меньше, в некоторых случаях почти в два раза, по сравнению с нормальным обтеканием.

Он также обнаружил, что при этом очень трудно добиться ламинарного обтекания. Поскольку приближалась война, большая часть этих находок была засекречена, а Группа Закрытых Проектов NAA (North American Aviation) под руководством Эдгара Шмуда решила использовать на самолете Р-51 специальный ламинарный профиль.

Первоначально предполагалось использовать профиль NACA 23012. Новому профилю дали обозначение NACA/NAA 45-100.

В комле профиль имел толщину 16.4 %, на законцовках - 11.5 %. Позже самолет Мустанг Р-51РН получил профиль NACA 66.2-18155(12).

Р-51 разрабатывался для борьбы с самолетами Фокке-Вульф Fw190, но так и не смог превзойти его характеристики. Когда на Р-51 поставили более мощный двигатель, немцы тоже увеличили мощность двигателя.

Я спроектировал по меньшей мере пять реплик Р-51 и одну реплику Fw190 и был удивлен схожестью форм и конструкции этих двух  самолетов. Однако проект самолета Thunder Mustang, который я начал в 1988 году вместе с Дэном Денни, мучает меня .

На этом самолете погибли два человека и до сих пор никто не знает, почему. Они сорвались в штопор на малой высоте. Разве что у этого Мустанга были те же проблемы, что у его большого брата?

Как видите, разработка ламинарных профилей не так проста и легка, как может показаться, и даже профессионалы совершают ошибки. Надеюсь, что взглянуть в историю разработки профилей роторов было интересно хотя бы для того, чтобы обнаружить, что многое было сделано уже в 1923 году. Сделать что-то новое сложно и иногда для этого полезно заглянуть в прошлое. Название "Взгляд назад в будущее"  вполне могло бы быть названием этой небольшой статьи.

Удачи.

* - сам Юкка не упоминает о том, что его лопасти имели алюминиевую переднюю кромку. С датами Хольман, возможно, тоже слегка попутал, JT-5 строился позднее, во второй половине 60-х. М.б. имеется в виду АТЕ-3, предшественник JT-5. - Прим.перев.

Автожирные страницы Мистера Твистера в Интернет     e-mail