РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКОРОСТЕЙ ПО ДИСКУ РОТОРА
Из главы II мы уже знаем, что при поступательном движении автожира скорости лопастей (относительно воздуха) с правой и с левой стороны ротора неодинаковы. Мы знаем также, что вследствие этого, не будь шарнирного крепления лопастей к втулке, имелось бы несимметричное распределение подъемных сил на роторе. И мы знаем, наконец, что именно благодаря горизонтальным шарнирам лопасти могут делать периодические взмахи и тем уравновешивать свои подъемные силы.
Но почему лопасти делают взмахи? Почему под действием подъемных сил они не складываются вверх? И как вообще они движутся в полете?
Прежде чем ответить на эти вопросы, мы еще раз остановимся на скоростях, с которыми движутся относительно воздуха лопасти в полете или, что одно и то же, — на скоростях воздуха, набегающего на лопасти с правой и с левой стороны ротора. Иными словами, посмотрим еще раз повнимательнее на распределение горизонтальных скоростей по диску ротора.
На фиг. 96 схематически изображен ротор летящего автожира (направление полета показано стрелкой). Вследствие поступательного движения автожира на ротор набегает воздушный поток, скорость которого равна, конечно, скорости автожира. Кроме того, воздух набегает на каждую из лопастей ротора и вследствие вращения последнего, т. е. независимо от его поступательного движения. В результате этого относительные скорости воздуха с правой и с левой стороны ротора и будут неодинаковы.
В самом деле, нетрудно видеть, что с правой стороны ротора, где лопасть идет против потока, скорости воздуха относительно лопасти складываются, а с левой стороны, где лопасть идет по потоку, эти скорости вычитаются (фиг. 54 и 55). Ясно, следовательно, что скорости воздуха, набегающего) на лопасти на правой и левой сторонах ротора, совершенно различны.
Сказанное еще яснее видно на фиг. 97, где дана простейшая диаграмма распределения горизонтальных скоростей с правой и с левой сторон ротора. Здесь, как и на фиг. 96, пунктиром изображен диск ротора летящего автожира (направление и скорость полета показаны жирной стрелкой). Посмотрим, что показывает эта диаграмма.
Пусть лопасть, идущая вперед, и лопасть, идущая попятно, занимают положение по диаметру диска аа
3. Выясним, с какой скоростью набегает воздух на конец лопасти, идущей вперед, причем за конец лопасти будем считать точку а.Во-первых, на точку а, как и на всю лопасть в целом, набегает встречный воздушный поток со скоростью
V. Во-вторых, сама точка а вследствие вращения лопасти движется с некоторой окружной скоростью Ω (омега)1. Так как окружная скорость всегда направлена по касательной к окружности, по которой движется точка, то, следовательно, окружная скорость нашей точки а будет прямо противоположна скорости встречного воздушного потока. Таким образом, скорость воздушных частиц, набегающих на точку а, будет равна скорости полета плюс окружная скорость, т. е. V + Ω.На конец лопасти, идущей попятно, т. е. на точку а
3, будет, конечно, тоже набегать встречный воздушный поток со скоростью V. Однако сама точка а: вследствие вращения ротора будет уходить от этого воздушного потока со скоростью Ω. Ясно, следовательно, что частицы воздуха, набегающего на точку а1, будут иметь скорость, равную окружной скорости минус скорость полета, т. е. Ω — V.1
Следует помнить, что окружная скорость концов лопастей больше скорости полета.Соединив концы полученных нами относительных скоростей для точек а и а
1, прямыми и проведя линии, параллельные этим скоростям, мы и получим диаграмму распределения горизонтальных скоростей по диску ротора.Нетрудно понять, что параллельные вертикальные отрезки представляют собой величины относительных скоростей воздуха для соответствующих точек лопастей. Например, скорость
Фиг. 97. Диаграмма распределения горизонтальных скоростей по диску ротора
воздуха для точки
b, которая лежит на лопасти, идущей вперед, будет равна тп; эта скорость, как видим, равна сумме двух скоростей: скорости встречного потока V = пb и некоторой окружной скорости bт (последняя, разумеется, меньше Ω, так как точка b лежит ближе к центру диска, чем точка а).Таким образом, рассматривая правую сторону нашей диаграммы, мы видим, что при данном положении ротора скорость воздуха, набегающего на лопасть, идущую вперед, равна скорости встречного потока плюс окружная скорость и уменьшается к корню лопасти (вследствие уменьшения окружной скорости).
Несколько сложнее обстоит дело на левой стороне диска ротора.
Возьмем на лопасти, идущей попятно, какую-нибудь точку с. Скорость воздуха относительно лопасти в этой точке, как видим, будет равна
qq. Очевидно, что эта скорость есть разность двух скоростей: скорости встречного потока и окружной скорости; последняя, как видим, здесь меньше скорости потока и, следовательно, воздух будет здесь набегать на лопасть не спереди, а сзади, т. е. как бы догоняя лопасть. Ясно, что никакой подъемной силы здесь поэтому возникнуть не может и, следовательно, эта часть лопасти работать не будет.Рассматривая диаграмму влево от точки с, мы видим, что для некоторой точки и, лежащей по середине лопасти,
Фиг. 98. Диаграмма скоростей по диску ротора при вертикальном спуске автожира
окружная скорость становится равной скорости встречного потока. Ясно, что скорость воздуха относительно лопасти здесь будет равна нулю, что и видно из диаграммы.
Таким образом, половина лопасти, идущей попятно, не будет давать никакой подъемной силы.
Левее точки
d, т. е. к концу лопасти, вследствие возрастания окружной скорости, воздух будет набегать уже не на заднее, а опять на переднее ребро лопасти и, следовательно, лопасть здесь будет работать нормально. Однако относительная скорость воздуха будет, как видим, незначительна; она равна здесь разности двух скоростей: окружной скорости и скорости встречного потока.Итак, вследствие сложения двух скоростей—скорости полета и скорости вращения на диске ротора получается несимметричное распределение горизонтальных скоростей. Ясно, что следствием этого явилось бы и несимметричное распределение подъемных сил, если бы не было применено шарнирное крепление лопастей к втулке ротора.
Для читателя теперь ясно, что причиной несимметричного распределения горизонтальных скоростей по диску ротора
Фиг. 99. Под действием сил Р и
g лопасти в полете сложились бы вверх (показано пунктиром)
является поступательное движение автожира. Это становится особенно очевидным, если предположить, что автожир не двигается поступательно; в самом, деле, тогда остается только окружная скорость, вследствие чего наша диаграмма примет, как видно из фиг. 98, вполне симметричный вид.
На практике поступательное движение отсутствует лишь при вертикальном спуске автожира. В этом случае вместо поступательной скорости появляется, правда, скорость снижения, но при сложении этой скорости с окружной скоростью распределение скоростей на роторе остается симметричным. Это объясняется тем, что при вертикальном спуске автожира воздух набегает на ротор снизу (фиг. 52), и все лопасти оказываются сразу и
в одинаковой степени под действием этого вертикального воздушного потока.Итак, при вертикальном спуске автожира скорости на роторе распределяются симметрично.
Все сказанное поможет нам понять сложное движение лопастей, т. е. работу ротора как в горизонтальном полете, так и при вертикальном спуске автожира. Однако прежде чем перейти к рассмотрению движения лопастей, необходимо взглянуть на те силы, под действием которых происходит это сложное движение.
