Лопасти несущего винта

Важным элементом конструкции модели вертолета являются лопасти несущего винта. Их весовые и аэродинамические характеристики определяют летные качества модели. В настоящее время фирмы предлагают большой ассортимент лопастей несущего винта, оптимизированных для определенного типа моделей и различных видов полета ( высшего пилотажа, авторотации, перевернутого и т.п.). Фирменные лопасти обладают единственным недостатком - большой ценой для моделистов из стран СНГ (на один комплект лопастей может потребоваться среднемесячная зарплата). Как показывает практика, моделисты, особенно начинающие, могут в летный сезон вывести из строя до десятка пар лопастей. Даже опытные моделисты не застрахованы от поломки лопастей. При любой ошибке в пилотировании или при отказе материальной части модели в первую очередь "страдают" лопасти несущего винта. Поэтому естественно желание многих моделистов самостоятельно освоить технологию изготовления лопастей несущего винта модели вертолета.

На первых радиоуправляемых моделях вертолетов применялись лопасти, изготовленные полностью из дерева. Сегодня такие лопасти применяются, как правило, на тренировочных моделях. Основным материалом фирменных лопастей в настоящее время является стекло- и углепластик. Лопасти из такого материала самостоятельно в домашних условиях изготовить довольно проблематично. Для обеспечения необходимой центровки эти лопасти загружаются дополнительным балластом. При неправильном расположении этот груз, под воздействием центробежной силы (в лопасти несущего винта эта сила достигает несколько сотен килограмм), может вылететь и вызвать тяжелые последствия для моделиста и окружающих. Поэтому самостоятельно лучше изготавливать лопасти из дерева, при балансировке которых практически не нужно использовать балласт. Кроме того, при разрушении деревянные лопасти хорошо гасят энергию удара, предохраняя от поломки элементы головки ротора и привода модели. По форме профиля лопасти бывают симметричные и плосковыпуклые. Симметричные профили применяют для лопастей спортивных моделей, выполняющих высший пилотаж. Плосковыпуклые профили применяют на лопастях "хоббийных" моделей. Следует отметить, что в домашних условиях проще изготовить лопасти с плосковыпуклым профилем, постоянным по всей длине. Как показывает практика, для таких лопастей хорошо подходит профиль Clark-Y.

Геометрические размеры лопастей определяются специальным аэродинамическим расчетом. Однако методика расчета довольна сложна и выходит за рамки настоящей статьи. Для практики целесообразно пользоваться данными, полученными, например, при измерениях фирменных лопастей. Как правило, для моделей 30 класса применяют лопасти длиной 450-500 мм, шириной 49-50мм. Для 40 класса - 520-550 мм, шириной - 49-50 мм. Для 60 класса- 620-680 мм, шириной - 55-61 мм. Например, для вертолета Хеликс, упоминавшемся в ранних статьях, при весе модели около 4,3 кГ с двигателем 10 см ³, при диаметре несущего винта, равном 1400 мм, лопасти имеют длину 625 мм и ширину 55 мм.

Кроме геометрических размеров важное значение имеет правильная поперечная и продольная балансировки лопастей. При несоблюдении условий балансировки, как правило, возникает сильная вибрация всего вертолета, разрушение тяг и рулевых машинок управления шагом, даже флаттер и разрушение лопастей. Для избежания флаттера и больших динамических нагрузок на органы управления точка крепления лопасти к головке ротора должна находиться на таком же расстоянии от передней кромки, как и центр тяжести лопасти. Кроме того, центр тяжести лопасти должен находиться ближе к передней кромке, чем фокус профиля ( центр приложения подъемной силы). Для выполнения последнего условия в носик стекло- и углепластиковых лопастей несущего винта загружают балласт. Для деревянных же лопастей с этой целью переднюю часть изготавливают из твердой и тяжелой древесины (бук, дуб), а заднюю - из бальзы средней плотности или из легкой липы и даже твердого пенопласта. Для повышения прочности и избежания коробления переднюю кромку лопасти делают не из цельного куска бука, а из склеенных вдоль волокна отдельных брусков, ориентированных в разные стороны. Дерево должно быть хорошо высушенным и не иметь сучков и других дефектов.

Для примера рассмотрим технологию изготовления деревянных лопастей (рис.1) несущего винта модели вертолета Хеликс (журнал "Моделист - конструктор" №4 за 1984 год), которая успешно применялась автором и его коллегами на протяжении последних шести лет.

"...В основном из-за упрощения обработки лопасти имеют на всей своей длине постоянный профиль Clark-Y, геометрическая крутка отсутствует - установочный угол одинаков для всех сечений. Передняя половина каждой пластины буковая, задняя из бальзы средней плотности. Так как начинающему "вертолетчику" понадобится не один комплект лопастей, лучше изготовить сразу несколько пар, да и из большого количества заготовок проще выбрать пары одинаковой массы.

Единая заготовка склеивается из бальзовой пластины (толщина 30мм, длина 650 мм, ширина - максимально доступная) и трех буковых таких же размеров, но толщиной 8 мм, на эпоксидной смоле. На ленточной или циркулярной пиле заготовка разрезается на бруски толщиной 10 мм, затем обрабатывается по профилю лопасти. Эту операцию лучше выполнить специальной фигурной фрезой после фугования нижней плоскости. Ручная же обработка верней поверхности по шаблонам трудоемка, длительна и менее точна, чем механическая. Да и возможный разброс деталей по массе при ручном способе больше. После завершения работ заготовки несколько раз покрывают эмалитом, шпаклюются нитролаком с замешанной в нем детской присыпкой. Корневая часть каждой лопасти обтягивается тонкой стеклотканью на эпоксидной смоле, а на всю поверхность накладывается длинноволокнистая бумага на эмалите. Поочередным вышкуриванием и лакировкой добиваются получения несильного ровного блеска, затем следует основательная сушка.... После этого приступают к статической балансировке и окончательной обработке лопастей.

Простейшее приспособление для фугования лопастей можно изготовить на базе деревообрабатывающего станка "Умелые руки" (рис.2).

Для этого изготавливают из листа дюральки (2-3 мм) подвижный столик (выделен черным цветом на рисунке), один конец которого крепится к станку с помощью кусочков рояльных навесов. С другой стороны столик упирается в винт, поворачивая который, мы можем менять зазор между столиком и фрезой. В качестве фрезы можно использовать деревянную заготовку, обработанную на токарном станке по шаблону профиля, на поверхность которой наклеивают под углом 45 ⁰ к торцу три-четыре полоски крупнозернистой наждачной бумаги. Как показал опыт, лучше всего наждачную бумагу приклеивать обычным канцелярским клеем, при фиксации концов на торце фрезы небольшими гвоздями. Другие клеи не выдерживали из-за сильного нагрева бумаги во время работы станка. Можно изготовить несколько фрез с различной зернистостью наждачной бумаги. Фрезу с более мелкой наждачной бумагой можно использовать для окончательной доводки поверхностей лопастей. Процесс фрезерования лопастей многократный, с постепенным поднятием столика. Фрезерование за один проход не получится из-за малой мощности станка. Вместо бальзы можно использовать легкую липу. В этом случае отфрезерованные лопасти просто покрывались лаком и полировались. Оправдало применение и жесткого пенопласта, но в этом случае всю лопасть необходимо обтягивать пленками. Современные пленки можно применять и при использовании бальзы.

Основную сложность при изготовлении лопастей представляет процесс балансировки лопастей. Не вдаваясь в теорию, отметим, что лопасти будут статически и динамически сбалансированы, если они имеют одинаковый вес и их центры тяжести находятся на одинаковом расстоянии от точки крепления к втулке и от передней кромки. Иными словами, только при выполнении одновременно этих двух условий лопасти не будут вызывать дополнительной вибрации. Существует множество методов балансировки лопастей несущего винта. Они отличаются применяемыми средствами и методами измерений и сравнений массы и координат центра тяжести лопастей. Так, например, для Хеликса предлагается ".. отбирать пары лопастей с разбросом по массе не более 5 г (большие устранить слишком сложно).Уже на данном этапе понадобятся лабораторные весы с точностью взвешивания не менее 0,1 г. Путем вывешивания на ребре дюралюминиевого уголка для каждой лопасти отыскивают положение центра тяжести по длине (радиусу ротора). Если эта величина окажется одинаковой для данной пары, можно заняться довешиванием более легкой лопасти путем нанесения на всю ее поверхность нескольких слоев жидкого лака с последующей шкуровкой. Но скорее всего, положения центров тяжести не совпадут. Совместить их лучше всего на счет высверливания двух-трех отверстий диаметром 4-5 мм в буковом концевом, более массивном торце на глубину до 70 мм. Сверловка в корне нежелательна - значительно ослабляет наиболее нагруженные участки ответственной детали. После продольной балансировки опять следует калибровка по массе каждой пары … и т.п. В приведенной методике требуются довольно точные весы, которые есть не у каждого моделиста.

Автор пользуется несколько иной методикой балансировки, без применения высокоточных весов и вывешивания лопастей на уголках. В этой методике применяются балансирные аптекарские весы (рис.3) и измеритель момента (рис.4). С помощью балансирных весов добиваемся равенства массы лопастей (путем нанесения лака или шлифования по всей длине лопасти и т.п.). Затем на измерителе моментов проверяем поочередно каждую лопасть. Если показания измерителя одинаковые, то это свидетельствует о том, что статический момент, т.е. произведение массы на расстояние от точки крепления до центра тяжести каждой лопасти, также одинаков. Если моменты от силы тяжести лопастей одинаковы при равенстве их масс, то и расстояние до центра тяжести каждой лопасти будет также равным. Иными словами, лопасти будут статически и динамически сбалансированы. Если же показания измерителя моментов отличаются, т.е. одна из лопастей по сравнению с другой создает больший или меньший момент от сил тяжести, то, при равенстве их масс, это свидетельствует о несовпадении расстояний от точки подвески до центра тяжести лопастей. Для лопасти, которая создает больший статический момент относительно точки подвести надо сдвинуть центр тяжести ближе к точке подвески, т.е. облегчить концевую часть лопасти. Или наоборот, для другой лопасти утяжелить концевую часть. Необходимо помнить, что любая такая операция (нанесение определенного количества лака или кусочков изоляционной ленты на концы лопастей, высверливанием в их торце отверстий и т.п.) изменяют массу лопастей. Поэтому необходимо вернуться к выравниванию масс лопастей на балансирных весах. Для этой цель автор, например, прикрепляет к лопастям, подвешенные к балансирным весам, одинаковые по массе куски изоляционной ленты. Затем на лопасть, которая создает больший момент, один из этих кусочков изоленты крепится непосредственно около корня её. На измерителе моментов находим точку крепления на другой лопасти второго кусочка изоленты, который обеспечивает равенство моментов от сил тяжести обеих лопастей. Если при такой балансировке количество изоленты получается значительным, то следует предварительно облегчать или утяжелять концы лопастей другими методами, например, нанесением лака или шпаклевки и шлифованием. Высверливание отверстий в торце, как показала практика, довольно трудоемкая и грубая операция, и к ней следует прибегать только в крайних случаях. Но никаких металлических балансиров (винтов, шурупов, кусков олова и т.п.) на концах лопастей устанавливать нельзя.

Следует отметить, что при использовании лаков и шпаклевок необходимо периодически проверять балансировку лопастей, поскольку со временем эти компоненты изменяют свои вес.

Можно применять и другие методики балансировки. Например, для выравнивания моментов от сил тяжести м ожно использовать головку ротора с прикрепленными лопастями. Для этого снятую головку с лопастями устанавливают на уголок и добиваются уже описанными методами равенства моментов, т.е. строгого горизонтального положения ротора. Но и в этом случае необходимо добиваться равенства не только моментов, но и масс лопастей.

Как показывает практика, выполнение этих условий позволяет быстро провести заключительную балансировку всего ротора на работающем вертолете, которую мы подробно рассмотрим в следующих статьях.

В заключение отметим, что приведенная методика позволят быстро изготовить лопасти, пригодные для начального обучения и простого пилотажа. Для других видов полета лопасти должны иметь, как правило, симметричный профиль и специальные утяжелители для повышения весо-динамических характеристик. Но это тема требует отдельного разговора.