Глава X особые случаи в полете § 1. Земной резонанс

Земным резонансом называются самовозбуждающиеся коле­бания вертолета, возникающие вследствие взаимодействия коле­баний вертолета на упругом шасси и колебаний лопастей относи­тельно вертикальных шарниров. Все вертолеты, имеющие верти­кальные шарниры без демпферов, подвержены земному резонансу. Демпферы вертикальных шарниров в основном и служат для устранения земного резонанса. Конструктор всегда стремит­ся уменьшить демпфирующий момент вертикальных шарниров до нуля, если можно избежать земного резонанса. У вертолетов с колесным шасси целесообразно сделать так, чтобы частота соб­ственных колебаний вертолета на шасси была ниже частоты ко­лебаний несущей системы. Тогда при нарастании колебаний двух этих систем они будут проходить с меньшей интенсивностью и потребуется меньше демпфирования. Низкая частота собственных колебаний вертолета достигается смягчением амортизации шас­си. Увеличения частоты колебаний несущей системы добиваются увеличением демпфирующих моментов вертикальных шарниров.

В поступательном полете, а особенно при движении вертоле­та ло земле, лопасти совершают колебания вокруг вертикальных шарниров, поэтому между лопастями будут неодинаковые углы. Общий центр тяжести лопастей (винта) смещается от оси враще­ния винта, на втулке появляется неуравновешенная центробеж­ная сила, которая раскачивает несущую систему с определенной частотой. Когда вертолет находится на земле или перемещается по ней, то колебания несущей системы растут, а сам вертолет находится во взвешенном состоянии, и частота его собственных колебаний увеличивается. В этом случае частоты колебаний двух систем могут совпасть (резонанс). Это приведет к опасной рас­качке вертолета, при которой колебания лопастей вокруг верти­кальных шарниров увеличиваются, неуравновешенная центро­бежная сила растет, в результате колебания всего вертолета быстро нарастают.

266

Источником энергии для поперечных колебаний вертолета являются работающие двигатели. При определенном небольшом режиме работы двигателей и на малых числах оборотов несу­щего винта колебания несущей системы демпфируются аморти­заторами шасси, пневматиками колес и демпферами вертикаль­ных шарниров. При большом режиме работы двигателей и числе оборотов несущего винта работа сил, вызывающих колебания, растет, а работа демпфирующих сил уменьшается вследствие

б)

а)

Рис. 113. Колебания вертолета Ми-8 при земном резонансе:

а—по первому тону колебаний; б—по второму тону колебаний; /—неуравновешенная

центробежная сила; 2—плоскости симметрии неподвижного вертолета; 3—положение

плоскости симметрии при колебаниях; 4 — центры колебаний (ц. к.)

роста тяги винта и уменьшения обжатия амортизаторов шасси и пневматиков колес. Начиная с некоторого режима приток энер­гии от двигателей, раскачивающей несущую систему, будет больше энергии рассеивания во всех амортизаторах и демпфе­рах, поэтому колебания будут возрастать и, если не принять срочных мер, возможно разрушение отдельных частей вертолета. Колебания вертолета будут развиваться в основном в попереч­ной плоскости, так как поперечный момент инерции вертолета намного меньше продольного момента.

Вертолет Ми-8, как и другие вертолеты, подвержен колеба­ниям по так называемым первому и второму тонам (видам).

При колебаниях по первому тону вертолет раскачивается в поперечной плоскости вокруг оси, проходящей ниже грунта (рис. 113,а). При таком характере колебаний неуравновешен­ная центробежная сила не только накреняет ось симметрии вертолета, но и одновременно сдвигает вертолет и его центр тя­жести в сторону действия силы. Колебания вертолета по первому тону колебаний низкой частоты и возникают при запуске и опро-

10*

267

бовакии двигателей и трансмиссии на земле и при рулении, ког­да тяга несущего винта сравнительно небольшая. При такого рода колебаниях пневматики не отрываются от земли.

Для лоперечных колебаний вертолета по второму тону харак­терно то, что эти колебания происходят вокруг оси, проходящей выше центра тяжести вертолета (рис. 113,6). В этом случае при действии неуравновешенной центробежной силы в ту же сторону, что и при колебаниях по первому тону, вертолет накреняется в сторону действия силы, но центр тяжести и вся масса его сдви­гаются в сторону, противоположную действию силы на втулке винта. Колебания вертолета по второму тону высокой частоты и появляются при большой тяге несущего винта, близкой к весу вертолета, когда амортизаторы расжаты и не принимают участия в работе (энергия колебаний не рассеивается). Такие колебания могут возникнуть после приземления .при посадке с коротким пробегом или в момент отрыва при взлете и в других случаях нахождения вертолета на земле при большой тяге несу­щего винта. В этом случае раскачка (вертолета происходит на од­них пневматиках колес, что приводит к попеременному отрыву колес от земли.

Особенность конструкции вертолетного шасси заключается в том, что оно должно обеспечивать «мягкую» амортизацию для предотвращения земного резонанса и вместе с тем обеспечивать нужную работу амортизаторов при посадке без ударов (непол­ное обжатие стоек). Размеры отверстий, через которые протека­ет жидкость при работе амортизатора, выбранные из условий земного резонанса (мягкая стойка), не обеспечивают работу амор­тизатора при посадке, т. е. возникают большие усилия при уда­ре о землю. Отверстия, выбранные из условий посадки, дают не­достаточное демпфирование при (Поперечных колебаниях и не устраняют земного резонанса. Указанные трудности преодоле­ваются следующим образом.

1. Установкой пружинного демпфера на соединительном тру­бопроводе между жидкостными камерами высокого давления амортизаторов главных ног шасси (рис. 114). Пружинный демп­фер устроен так, что он не меняет характеристик шасси при оди­наковых усилиях на оба колеса, например, если происходит по­садка на оба колеса без крена, но значительно снижает жест­кость шасси при неодинаковых нагрузках на колеса, что может быть при поперечных колебаниях типа земного резонанса по первому тону колебаний и при посадке на одно колесо. При стоянке вертолета или при его движении по земле, когда оба ко­леса имеют одинаковую нагрузку, поршень демпфера находится в среднем положении. При посадке на одно колесо или при по­перечных колебаниях вертолета по первому тону гидросмесь из амортизатора высокого давления, находящегося со стороны ко­леса, получившего большее давление, перетекает по трубопрово­ду через перекрывной кран в демпфер и отжимает его поршень в

268

противоположную сторону до упора в торец обоймы на макси­мальную величину. Из другой полости демпфера гидросмесь вытесняется и перетекает через перекрывной кран по трубопро­воду в противоположный амортизатор. Перетекание жидкости из обжатого амортизатора в необжатый равнозначно уменьше­нию жесткости амортизатора, что снижает частоту собственных колебаний вертолета, находящегося на шасси по первому тону, отдаляя ее от частоты колебаний несущего винта. Пружинные демпферы устанавливаются на вертолетах Ми-6.

Рис. 144. Схема пружинного демпфера между камерами высокого давления двухкамерного амортизатора шасси:

а—амортизатор низкого давления; б—амортизатор высокого дав­ления; в—гибкий шланг; г—пружинный демпфер

2. Применением амортизационных стоек с малым усилием предварительной затяжки. Для вертолетного шасси желательно иметь как можно меньшее усилие предварительной затяжки, так как при большой тяге несущего винта усилия на шасси умень­ шаются, и если эти усилия будут меньше усилий предваритель­ ной затяжки, то амортизаторы стойки станут на упоры и пере­ станут работать. Это будет приводить к земному резонансу на пробеге и в других случаях. Для вертолетного шасси обычно выбирается усилие предварительной затяжки равное 10% от нагрузки на амортизатор во время стоянки на земле при от­ сутствии тяги несущего винта.

3. Установкой специальных клапанов в конструкцию амор­ тизатора. Клапан, установленный в амортизаторе, открывается только тогда, когда усилия сжатия при посадке превосходят некоторое критическое значение. Если усилие на амортизатор меньше, чем критическое, работают отверстия, размеры которых выбраны из условий предотвращения земного резонанса; при

269

усилиях на амортизатор, выше критических, работают дополни­тельно отверстия большего диаметра, размеры которых выбра­ны из условий ограничения перегрузок на посадке.

4. Увеличением демпфирования на обратном ходе амортиза­ тора. При этом способе размеры отверстий, через которые про­ текает гидросмесь на прямом ходе амортизатора (сжатие), вы­ бираются из условия посадки, а размеры отверстий, через кото­ рые гидросмесь протекает на обратном ходе амортизатора (растяжение), — из условий устранения земного резонанса.

5. Применением двухкамерной стойки. Для предотвращения поперечных колебаний вертолета по второму тону колебаний же­ лательно увеличить демпфирующие свойства амортизатора в самом начале хода штока, когда тяга винта большая, соизмерима с весом вертолета. Для демпфирования колебаний этого тона предусмотрены на основных амортизаторах шасси дополнитель­ ные камеры с малым давлением, которые вступают в работу сразу же после касания колес земли или перед отрывом от земли,, когда тяга несущего винта большая, и камеры с высоким давлением не срабатывают. Тогда начавшиеся колебания верто­ лета будут демпфироваться в камерах низкого давления, что и предотвращает развитие земного резонанса. При стоянке на зем­ ле амортизатор низкого давления полностью обжат и выключен из работы. Двухкамерные стойки предусмотрены у шасси вер­ толетов Ми-8, Ми-6 и Ми-2.

Мощным средством для предотвращения земного резонанса являются гидравлические демпферы вертикальных шарниров, лопастей несущего винта, которые устанавливаются на вертоле­тах Ми-8, Ми-6 и Ми-2. Особенность гидравлического демпфера вертикального шарнира заключается в том, что при полете или при движении по земле, когда колебания лопастей по вертикаль­ным шарнирам обычные, момент трения незначителен, что и не­обходимо для парирования вредного действия сил Кориолиса. При появлении колебаний вертолета амплитуда колебаний лопастей по вертикальным шарнирам растет, что приводит к увеличению момента трения. При этом частота колебаний не­сущей системы растет, земной резонанс предотвращается.

Поперечные колебания конкретного вертолета зависят от полетного веса, расположения центра его тяжести, массовых моментов инерции, характеристик амортизаторов шасси, шин колес и гидравлических демпферов вертикальных шарниров. Для вертолета Ми-8 конструктор подобрал такой объем гидро­смеси и начальное давление технического азота в амортизато­рах, начальное давление воздуха в пневматиках колес и мо­менты гидравлических демпферов вертикальных шарниров, что частота колебаний несущей системы не совпадает с частотой колебаний вертолета, находящегося на земле. Поэтому при пра­вильной технической и летной эксплуатациях вертолета земной резонанс на вертолете Ми-8 полностью исключен. Но это не

270

значит, что он не может возникнуть. Напротив, если не поддер­живать необходимый уровень гидросмеси и давления азота в амортизаторах шасси, давления воздуха в пневматиках колес, допускать ошибки при запуске и опробовании двигателей и трансмиссии, не выполнять установленные ограничения при ру­лении, взлете и посадке с коротким разбегом и пробегом, то земной резонас на вертолете Ми-8 возможен.

Первопричиной земного резонанса может послужить какой-либо даже несущественный фактор: случайная неровность по­верхности земли, резкие порывы ветра, резкое или большое от­клонение ручки управления от положения, при котором устано­вочные углы лопастей не меняются, большая скорость движения по земле, низкая температура окружающего воздуха и др. Со­четание перечисленных факторов с неисправностью системы демпфирования или нарушение ее характеристик при техниче­ском обслуживании может создать благоприятные условия для развития земного резонанса.

Для предотвращения возможности возникновения земного резонанса на вертолете Ми-8 необходимо выполнять следую­щие правила технической и летной эксплуатации.

1. Точно соблюдать и правильно выполнять все регламент­ ные работы по обслуживанию гидродемпферов втулки несуще­ го винта.

2. Зарядка амортизаторов шасси маслом АМГ-10 и техниче­ ским азотом по объему и давлению должна быть в пределах установленной нормы: масла в каждом амортизаторе высокого давления 3—3,5 л, в амортизаторе низкого давления 1,5—2 л, в амортизаторе передней ноги шасси 3—3,5 ,л ¹, начальное дав­ ление технического азота в амортизаторах высокого давления главных ног шасси 60 кгс/см², в амортизаторах низкого давле­ ния главных ног шасси 26 кгс/см², в амортизаторе передней но­ ги шасси 32 кгс/см².

3. Зарядка пневматиков колес воздухом должна быть в пре­ делах нормы: начальное давление в пневматиках главных колес 5,5 кгс/см², передней ноги 4,5 кгс/см².

4. При возможности избегать запуска двигателей и раскрут­ ки винта при боковом ветре и ни в коем случае не допускать запуска двигателей при боковом ветре более 10 м/с.

5. При рулении соблюдать следующие ограничения. Ско­ рость руления не должна превышать 20 км/ч. Руление совер­ шать только при ветре не более 20 м/с. Не рулить по неровному, мягкому грунту, по глубокому и рыхлому снегу. Число оборо­ тов несущего винта в пределах 95+2%, общий шаг винта не более 6°.

¹ При зарядке и дозарядке амортизационных стоек количество заправ­ляемого масла АМГ-10 определяется по уровню его до отверстий зарядных трубок при полном обжатии стоек в вертикальном положении.

271

6. При взлете по-самолетному с коротким разбегом добивать­ ся минимальной длины и времени разбега, не допускать скорости отрьива больше 50—60 км/ч.

7. При посадке по-самолетному с коротким пробегом не допу­ скать посадочную скорость более 40—50 км/ч. После приземле­ ния до отказа опускать ручку общего шага вниз, переводить ру­ коятку корректора газа в.лево. Использовать тормоза колес для уменьшения длины и времени пробега.

8. При вертикальном взлете не удерживать вертолет долго во взвешенном состоянии до отрыва колес от земли и вблизи земли после отрыва.

9. При вертикальной посадке не удерживать вертолет дол­ го вблизи земли и во взвешенном состоянии после касания ко­ лесами земли.

Внешне явление земного резонанса проявляется следующим: образом: вертолет начинает покачиваться из стороны в сторо­ну без отрыва пневматиков колес от земли, затем раскачка быстро увеличивается, и вертолет ударяется о землю попере­менно колесами. Крен возрастает, лопасти могут касаться зем­ли, разрушаются шасси, вертолет может опрокинуться. Процесс-развития земного резонанса от начала до опасного положения продолжается 6—7 с. Явление земного резонанса необходимо отличать от раскачивания вертолета, начинающегося при на-растании оборотов при запуске двигателя. Эти раскачивания затухают и прекращаются после выхода запускаемого двига­теля на режим малого газа.

При появлении признаков земного резонанса на земле при опробовании двигателей необходимо немедленно опустить руч­ку общего шага вниз до отказа и одновременно повернуть руко­ятку корректора газа влево до упора.

При появлении земного резонанса во всех других случаях (руление, разбег, пробег и др.) и на всех стадиях его развития необходимо погасить источник энергии этих колебаний — рабо­тающие двигатели, обжать амортизаторы и пневматики колес,, прекратить маховые движения лопастей вокруг горизонтальных шарниров и колебаний их вокруг вертикальных шарниров. Для этого необходимо быстро уменьшить общий шаг винта до отка­за с одновременным поворотом рукоятки корректора газа вле­во. Ручку циклического шага поставить в нейтральное положение и, если это был разбег при взлете, пробег при посадке или ру­ление, применить тормоза колес для быстрого гашения скоро­сти. Если колебания не прекращаются, необходимо выключить двигатели.

Для вертолетного шасси, кроме обычного расчета на проч­ность, который производится по такому же принципу, как и для самолетов, предусмотрен расчет на земной резонанс для по­требного демпфирования. Расчет вертолетного шасси на зем-

272

нои резонанс состоит из проектировочного и поверочного рас­четов.

Проектировочный расчет делается для определения характе­ристик жесткости и необходимого демпфирования шасси, при которых отсутствует земной резонанс. Характеристика жестко­сти и необходимое демпфирование определяются по соответст­вующим формулам расчета.

Поверочный расчет производится при известных параметрах шасси и сводится к определению частот собственных колебаний вертолета и критической скорости вращения винта. Сравнивая полученные критические скорости вращения винта с фактиче­скими скоростями © эксплуатации, можно судить о вероят­ности возникновения земного резонанса при эксплуатации вер­толета. Частоты собственных колебаний вертолета и критиче­ские обороты несущего винта будут зависеть от веса вертолета, расположения его центра тяжести, массовых моментов инерции и параметров шасси: упругости и колеи.

Сущность расчета шасси на земной резонанс заключается в следующем. По соответствующим формулам расчета опре­деляются частоты собственных колебаний 'вертолета по пер­вому и второму тонам колебаний. Кроме того, по специ­альной формуле определяется частота собственных колебаний вертолета в момент его касания земли или отрыва от земли, для случая наиболее опасного и часто встречающегося. Затем для каждой найденной из трех частот собственных колебаний по соответствующим формулам находят угловые скорости враще­ния и соответствующие им числа оборотов несущего винта, ко­торые являются резонансными с найденными частотами собст­венных колебаний вертолета.