Про ламінарних профілях і не тільки про них
Правильний вибір профілю дуже важливий для проектування ротора автожиру. Щоб зробити це, необхідно поглянути на історію освоєння ламінарних потоків і побачити, що робилося в цьому напрямку серед автожирів і вертольотів в колишні часи.
Два найбільш поширених у вертолітників профілю - це NACA 0012 (рис.1) і NACA 23012 (рис.2). Профіль NACA 23012 застосований на вертольотах S-67 Blackhawk, Westland Mk2 Commando і Lockheed XH-51A. Профіль NACA 0015. чиї характеристики схожі з NACA 0012. використаний на вертольоті Hughes 300 і автожирі McCulloch J-2, який був сертифікований з несучою системою від вертольота Hughes 300. Профіль NACA 23012 використаний і на вертольоті MBB Bo-105. Ці профілі мають момент по кроку близький або дорівнює нулю і їх аеродинамічний фокус не зміщується при зміні кроку. Це мінімізує вібрації та крутильні навантаження, що викликаються зміною кроку, що робить їх ідеальними для лопатей несучого гвинта вертольота.
Рис.1 Профіль NACA 23012
Профіль NACA 23012. однак, має набагато більший відсоток ламинарного обтікання, ніж NACA 0 012. в результаті опір тертя на ньому набагато нижче, ніж у NACA 0 012. Ламінарний потік досягається при сприятливому градієнті тиску (зменшення тиску) над профілем (в даному випадку "над" має на увазі "поблизу" як верхній, так і нижній частині профілю. - М.Т.). При нульовому куті атаки тільки передні 10% профілю NACA 0 012 мають ламинарное обтікання. На інших 90% присутній турбулентний обтікання з властивим йому високим опором тертя.
У профілю NACA 23012 на нульовому куті атаки ламінарний потік існує на 30% хорди по верхній і 60% нижньої частини профілю, що в результаті знижує профільне опір в два рази в порівнянні з NACA 0 012.
Профіль NACA 23012 з'явився в Ленглі в 1935 році і був одним з кращих, що розробив Істмен Якобс (Eastman Jacobs). Він майже ідентичний профілю М12, який
Рис.2 Профіль NACA 0 012
Рис.3 Профіль N.A.C.A. M12
Рис.4 Профіль N.A.C.A. M 6
Рис.5 Лопасть автожиру Сиерва С.19 Mk IV з профілем Gottingen 606
Рис.6 Лопасть автожиру Сиерва С.30 з профілем Gottingen 606
розробив в 1923 році Макс Мунк. Мунк був студентом Людвіга Прандтля, в 1920 році він приїхав в США з Німеччини і привіз з собою сучасні погляди на аеродинаміку. Він також запропонував і побудував першу аеродинамічну трубу змінною щільності (VDT) з Ленглі в 1921 р Використання такої труби дозволяє проводити випробування на необхідних числах Рейнольдса. Профіль цього і зараз застосовується на багатьох літаках, в тому числі, на Beech Bonanza. Профіль цього, хоч він і сприяв успіху "Бонанзи", відрізняється різкою кордоном зриву.
Рис.7 Перетин по А-А
Більшість як перше, так і сучасних автожирів не використовують і не використовували ці профілі. На обтягнутої тканиною лопаті ротора автожиру С.19 Mk IV (рис.5, 7) використовувався профіль Gottingen 606 (18%), розроблений Людвігом Прандтлем в Німеччині в 1918 р На цьому автожирі також використовувався і 12-процентний профіль N.A.C.A. M 6 (рис.4), розроблений Максом Мунком в Ленглі в 1923 році для ротора, побудованого з бальси і обтягнутого тканиною. Крутний момент і відцентрові навантаження кожної з лопатей ніс силовий набір зі сталевих труб. Автожир С.19 будувався в Англії і в 1929 р було побудовано близько 100 машин. Однак вже через рік в строю залишилося тільки 19 з них - більшість було пошкоджено в інцидентах при рулении. Профіль Gottingen 606 не мав ламинарного потоку, але навіть якби мав, то це навряд чи допомогло б, тому що тканинна обшивка лопаті мала досить грубу форму і не могла точно повторити профіль. З іншого боку, профілі NACA М6 і NACA 23012 мають ламінарними частина, а бальсового поверхню лопатей зберігала форму профілю, що давало таким лопатей набагато кращі характеристики.
Незважаючи на цю перевагу, в автожирі С.30, який почав випускатися в 1933 році, були використані лопаті з профілем Gottingen 606. С.30 був першим автожиром з стрибковим стартом, для якого використовувалося попереднє розкручування лопатей до оборотів в півтора рази вище польотних. Це вимагало, щоб лопаті мали велику жорсткість на кручення і меншу товщину профілю. Три лопаті постійної хорди 11 дюймів при діаметрі 37 футів давали коефіцієнт заповнення 0.0472, що при злітній вазі 1900 фунтів (860 кг) давало навантаження на ометаемую 8.6 кг на кв. метр. Цей автожир мав пристойні льотні характеристики навіть з малопотужним 140-сильним двигуном Civet I. З двома людьми на борту з повною заправкою апарат мав максимальну швидкість на рівні моря 94 миль в годину, мінімальну швидкість горизонтального польоту 32 милі на годину, скоропідйомність 1.8 м / сек .
У 1964 р мені захотілося самому спроектувати двомісний автожир. Головною метою при цьому було бажання оптимізувати проектні параметри, щоб отримати добре літаючий апарат. Першорядне значення при цьому мала розробка ротора, оскільки я розумів, що інші двомісні автожири в той час мали обмежені можливості просто тому, що у них не було правильного ротора. Вивчаючи ранні матеріали по автожир, я виявив профіль NACA М6, а також - профіль NACA 8-Н-12, розроблений значно пізніше для вертольотів. Характеристики та форма цих профілів дуже схожі.
Подивимося, які числа Рейнольдса відносяться до ротора автожиру. Більшість роторів автожирів мають кінцеву швидкість лопаті близько 160 м / сек, то швидкість елемента лопаті на 75% розмаху дорівнює приблизно 120м / сек. 75% розглядається з тих міркувань, що саме на цьому радіусі створюється максимум підйомної сили за повний оборот ротора. Підставляючи ці числа в формулу, отримуємо для 9-дюймової лопаті число Рейнольдса R = 1.8х10 6. Визначення числа Рейнольдса важливо, оскільки досягти ламінарного потоку для малих R помітно складніше, ніж для високих. Отримане число Рейнольдса показує, що ламінарний потік може бути реалізований для даних профілів.
Між іншим, ранні автожири Бенс мали дерев'яні лопаті з профілем G2 (рис.10), розробленим Ігорем Бенсеном. Пізніше були розроблені металеві лопаті, в яких нижня поверхня профілю була плоскою. Кривизну мала тільки верхня поверхня профілю, а задня кромка була злегка відігнути вгору. Обидва цих профілю були розроблені з тим, щоб вписуватися в технологію виготовлення лопатей. Дерев'яні лопаті були занадто гнучкими і мали проблеми зі стійкістю, а металеві мали ряд особливостей, що погіршують їх характеристики.
Одна з цих особливостей - використання заклепок з круглими капелюшками для кріплення обшивок до екструдерне лонжерону. Ці заклепки встановлювалися зверху і знизу лопаті, що створювало не тільки додатковий опір форми, а й викликало обурення потоку до самої задньої кромки.
Друга особливість полягала в тому, що листовий алюміній, що застосовувався для верхньої обшивки, згинався шляхом прокатування в вальцах зразок старовинних пристосувань для віджиму білизни. Оскільки вальці були короткими, одержувані панелі також були короткі. Між ними на обшивці залишалися щілини, що дозволяли повітрю перетікати зсередини лопаті назовні через верхню обшивку. Оскільки перепад тиску в цьому випадку досить великий, плюс він ще збільшується наявністю відцентрових сил, видавлювання повітря наверх було досить значним і воно руйнувало ламинарное обтікання. Незважаючи на це, металеві лопаті були набагато жорсткіше і стали істотним поліпшенням у порівнянні з дерев'яними.
На підставі цієї інформації і прорахувавши характеристики за допомогою кривих потрібної / располагаемой потужності, я вибрав для свого двомісного "Спортстер" профіль NACA 8-Н-12. Це було в 1968 р Ще до цього Юкка Тервамякі в Фінляндії вибрав NACA 8-Н-12 для своїх лопатей зі склопластику і пінопласту з алюмінієвою передньою кромкою *. зроблених для автожиру JT-5 в 1959 р У 1960 році JT-5. цей прекрасний одномісний автожир був проданий Вітторіо Магни в Італію і отримав назву МТ-5. Після цього в США про нього практично не чули.
"Спортстер" з суцільнометалевими лопатями НА-28 літав добре, оскільки вибір профілю був правильним і - я добре зробив свою роботу. Незважаючи на те, що я напевно необ'єктивний, я думаю, що "Спортстер", вперше полетів в 1974 році, до цих пір залишається одним з кращих в світі двомісних автожирів. Він без проблем піднімав в повітря двох 90-кілограмовий пасажирів з повною заправкою паливом.
Автожир McCulloch J-2 не міг зробити цього, оскільки його ротор був неправильним, а навантаження на ометаемую - занадто висока (14 кг / кв.м). І це при тому, що на ньому стояв 210-сильний двигун Lycoming, а на "Спортстер" - 130-сильний Franklin.
Для отримання ламинарного обтікання важливо, щоб лопаті були чистими - від бруду і мошкари на передній кромці. Більшість гвинтокрилих апаратів літають на висотах менше 1000 м, де як раз живуть і літають жучки і мошкара. Їх залишки на передній кромці руйнує ламінарний потік від самої передньої до задньої кромки. Через це я завжди перед польотом очищаю лопаті ротора дрантям. Літати найкраще рано вранці, поки жуки не прокинулись.
Стверджувалося, що ламінарний профіль на цьому літаку поліпшив його характеристики. Насправді все якраз навпаки.
Хоча крило клепати впотай, ламінарний оскільки навіть такі невеликі турбулізатори як жучки розміром 1 мм порушували прикордонний шар і викликали обурення потоку.
Якщо ламінарний профіль обтекается обуреним потоком, то його характеристики можуть бути гірше, ніж характеристики неламінарного профілю.
Крім того, високоламінарние профілі (згадайте NACA 23012) зазвичай мають погані зривні характерстікі.
Крило літака Р-51 звужувалося до закінцівки і не мало крутки. Оскільки зрив на такому крилі походить від законцовок, літак входить в штопор, з якого виходить з працею, оскільки має невелику вертикальне оперення. Для Р-51 була незвичайною втрата до 300 м висоти для виведення з звалювання. РЛЕ літака Р-51 D попереджає пілотів про небезпеку звалювання на цьому літаку і всі пілоти Р-51, з якими я говорив, знають це.
З 1931 по 1935 рік Істмен Якобс, працюючи на VDT в Ленглі, систематично розробляв і відчував все 4- і 5-розрядні профілі NACA. NACA 23012 був найкращим в сенсі низького Сх і високого Су.
У 1938 році він виявив, що якщо розгорнути профіль задом наперед до потоку, то його Сх стає істотно менше, в деяких випадках майже в два рази, в порівнянні з нормальним обтіканням.
Він також виявив, що при цьому дуже важко домогтися ламинарного обтікання. Оскільки наближалася війна, велика частина цих знахідок була засекречена, а Група Закритих Проектів NAA (North American Aviation) під керівництвом Едгара Шмуда вирішила використовувати на літаку Р-51 спеціальний ламінарний профіль.
Спочатку передбачалося використовувати профіль NACA 23012. Нового профілем дали позначення NACA / NAA 45-100.
У комле профіль мав товщину 16.4%, на закінцівках - 11.5%. Пізніше літак Мустанг Р-51РН отримав профіль NACA 66.2-18155 (12).
Р-51 розроблявся для боротьби з літаками Фокке-Вульф Fw190. але так і не зміг перевершити його характеристики. Коли на Р-51 поставили більш потужний двигун, німці теж збільшили потужність двигуна.
Я спроектував щонайменше п'ять реплік Р-51 і одну репліку Fw190 і був здивований схожістю форм і конструкції цих двох літаків. Однак проект літака Thunder Mustang. який я почав в 1988 році разом з Деном Денні, мучить мене.
На цьому літаку загинули дві людини і до сих пір ніхто не знає, чому. Вони зірвалися у штопор на малій висоті. Хіба що у цього Мустанга були ті ж проблеми, що у його великого брата?
Як бачите, розробка ламінарних профілів не так проста і легка, як може здатися, і навіть професіонали роблять помилки. Сподіваюся, що поглянути в історію розробки профілів роторів було цікаво хоча б для того, щоб виявити, що багато було зроблено вже в 1923 році. Зробити щось нове складно і іноді для цього корисно заглянути в минуле. Назва "Погляд назад в майбутнє" цілком могло б бути назвою цієї невеликої статті.
* - сам Юкка не згадує про те, що його лопаті мали алюмінієву передню кромку. З датами Хольман, можливо, теж злегка поплутав, JT-5 будувався пізніше, у другій половині 60-х. М.б. мається на увазі АТО-3, попередник JT-5. -Прім.перев.