Поговоримо про теорію
Радіокеровані моделі гелікоптерів мають велику популярність у багатьох країнах світу, так як їм не потрібні аеродроми, їх політ викликає велике захоплення у публіки. Цей напрямок в спортивному моделізмі виник на початку 70-х років і дуже швидко розвивається. За своїми льотними можливостями моделі гелікоптерів обігнали повномасштабних «побратимів».
На сучасному етапі моделі гелікоптерів створюються з використанням сучасних композитних матеріалів, досягнень мікроелектроніки і комп'ютерних технологій. Підключивши свій радіопередавач до комп'ютера, можна без ризику поломки моделі експериментувати з регулюваннями функцій керування, відпрацьовувати навички початкового і складного пілотажу вертольота.
Основи керування гелікоптером
Хоча теорія аеродинаміки вертольота досить складна і, щоб повністю опанувати цю теорію, необхідні знання великого ряду фізико-математичних дисциплін. Але для успішного заняття авіамоделізмом немає необхідності досконалого освоєння цих дисциплін. Щоб успішно освоїти техніку пілотування початківцю моделісту досить розуміти явища і процеси, що протікають на всіх етапах польоту моделі вертольота.
Спочатку ми познайомимося з силами і моментами, які діють на гелікоптер, що перебуває в висінні, а потім, як ці сили змінюють положення вертольота в просторі.
Cистема сили — це сукупність всіх аеродинамічних сил і сил гравітації, що впливають на гелікоптер і переміщують його вниз, вгору і в сторони. Якщо гелікоптер знаходиться в висінні і щоб він залишався нерухомим, всі ці сили повинні компенсувати одна одну. Якщо система сил не врівноважена, то результуюче зусилля переміщує вертоліт і дає нам можливість управляти моделлю.
Порада
При читанні цих матеріалів добре мати поруч модель вертольота і радіоапаратуру та пізнавати теорію по реакції лопатей і важелів на дії ручок керування. Це допоможе вам зрозуміти, що відбувається з моделлю вертольота і як це пов'язано з переміщеннями ручок керування на передавачі.
Режим висіння
На малюнку зображений вид вертольота з боку в висінні і сили, що впливають на нього в цьому ракурсі. Стрілка, що спрямована прямо вниз, є силою ваги вертольота. Їй протидіє підйомна сила несучого гвинта. В усталеному висінні підйомна сила дорівнює силі ваги і гелікоптер не піднімається і не знижується. У польоті ми не можемо змінювати вагу вертольота. Ми можемо управляти підйомною силою (силою тяги) несучого гвинта за рахунок зміни кута установки лопатей (загального кроку) або числа його обертів. Тому існують дві системи моделей гелікоптерів.
Перша, так звана із загальним (або колективним) кроком, в якій керування тягою здійснюється зміною кута установки лопатей. Друга — з фіксованим кроком, в якій керування тягою гвинта здійснюється тільки зміною числа обертів несучого гвинта при постійному значенні інсталяційного кута. Кожна система має свої переваги і недоліки.
Система з фіксованим кроком має спрощену конструкцію головки несучого ротора, простіше в експлуатації і в налагодженні. Крім того, не потрібна дуже дорога апаратура керування. Основний недолік цієї системи полягає у великій інерційності і нелінійності вертикального керування гелікоптером. В даний час змінювати число обертів модельних двигунів досить швидко неможливо. Крім того, тяга гвинта пропорційна квадрату числа обертів двигуна. У цій ситуації дуже складно утримувати гелікоптер в нерухомому висінні.
Система з колективним кроком забезпечує краще керування гелікоптером, оскільки тяга лопатей майже пропорційна кроку, який може змінюватися майже миттєво. Однак така система вимагає узгодженого керування кроком і потужністю двигуна. Це призводить до того, що для керування таким гелікоптером потрібна апаратура, в якій за допомогою однієї ручки можна було б змінювати значення кроку лопатей несучого ротора і потужність двигуна. Необхідність такого узгодження викликано тим, що момент опору, отже і потужність, яка необхідна для обертання лопатей, пропорційна квадрату зміни кроку лопатей.
В іншому випадку, при збільшенні кроку лопатей при неправильному регулюванні потужності у нас будуть падати оберти і тяга гвинта. Отже, ви керуєте величиною підйомної сили в висінні виключно переміщенням, як правило, лівої ручки вперед-назад, утримуючи гелікоптер в нерухомому вертикальному положенні.
Зверніть увагу на два важливих моменти, показаних на малюнку вище:
- Стрілка, що зображає підйомну силу лопатей, показується виходяча прямо з вала несучого гвинта. Дійсно ж, вал не створює підйомну силу, вона виникає від обертання лопатей, але результуюча сила діє від них так, якщо б вона була спрямована з центрального вала ротора, як показано на малюнку. Це несуттєво зараз, але пам'ятайте про це, коли ми будемо обговорювати в подальшому поведінку лопатей ротора.
- Підйомна сила, вироблена лопатями ротора завжди перпендикулярна диску несучого гвинта (площині обертання лопатей).
На цьому малюнку зображено гелікоптер в висінні, як якщо б ми дивилися на нього зверху. Знову, всі сили діючі на гелікоптер в цьому ракурсі, повинні бути компенсовані, щоб гелікоптер був нерухомий.
Гелікоптер показаний з обертанням лопатей несучого гвинта вправо або за годинниковою стрілкою. Якщо лопаті вашого вертольота обертаються в іншу сторону, то цей малюнок необхідно дзеркально перевернути. Згідно третього закону механіки, при обертанні гвинта за годинниковою стрілкою, фюзеляж вертольота повинен обертатися проти годинникової стрілки. Прагнення фюзеляжу до обертання називають реактивним моментом, що обертає, і будь-яка зміна потужності двигуна і колективного кроку призводить до відповідної зміни цього крутного моменту.
Завдання хвостового гвинта — компенсувати реактивний крутний момент. Коли тяга хвостового гвинта створює момент, рівний реактивному моменту від несучого гвинта, ніс утримується прямо. Якщо тяга хвостового ротора зростає, гелікоптер повертається навколо вертикальної осі (вала несучого гвинта), змушуючи ніс йти вправо. Аналогічно, зменшення тяги хвостового гвинта, змусить реактивний крутний момент повернути хвіст вправо, а ніс вліво. Тому в висінні при рівновазі всіх цих сил гелікоптер тримає свого носа строго в одному напрямку.
Оберти хвостового гвинта залежать від обертів двигуна і основного гвинта, які повинні бути постійними при висінні. Тому тяга хвостового гвинта змінюється збільшенням або зменшенням кута атаки лопатей хвостового ротора і в вашій радіоапаратурі це виконується переміщенням, як правило, лівої ручки вправо або вліво.
Подивіться на хвостовий гвинт моделі з лівого боку вертольота, він зазвичай обертає вправо (або за годинниковою стрілкою) при цьому виді. Тепер перемістіть ліву керуючу ручку в вашому передавачі направо і побачите, як кут атаки лопатей збільшується. Це змусить лопаті захоплювати більше повітря і хвіст повернуться вліво або у напрямку до вас. У міру переміщення ручки вліво, кут атаки зменшиться і реактивний момент перемістить хвіст вправо або геть від вас.
Необхідно підкреслити інший важливий момент: ліва ручка передавача змінює кут атаки лопатей хвостового ротора і переміщує хвіст вправо або вліво, але напрямок переміщення хвоста протилежно переміщенням цієї ручки. Причина цього в тому, що ми пілотуємо модель не за хвостом. Ми повинні управляти носом моделі. Знову перемістіть ліву ручку вправо і вліво та переконайтеся що, коли ручка переміщується вправо, ніс моделі буде переміщатися вправо і навпаки.
Спроби пілотувати модель вертольота за хвостом дуже груба помилка і ви її повинні уникати.
На цьому малюнку зображено гелікоптер при вигляді ззаду, з істотно перебільшеним нахилом вправо для навчальних цілей. Для утримання вертольота в стійкому висінні всі сили повинні бути також компенсовані. Ми знову бачимо силу гравітації (або силу ваги вертольота), спрямовану вниз. Як уже згадувалося, ця сила компенсується підйомною силою лопатей гвинта. Але тепер зверніть увагу на те, що ви не бачили раніше: ротор трохи нахилений вправо. Підйомна сила гвинта, як і раніше, буде перпендикулярна диску ротора і нахилена вправо.
Підйомна сила може бути розкладена на дві складові: на вертикальну і горизонтальну. Щоб утримати гелікоптер на фіксованій висоті, вертикальна компонента підйомної сили повинна дорівнювати вазі моделі.
На малюнку крім підйомної сили зображений вектор тяги хвостового ротора, який змусить гелікоптер рухатися вліво, якщо вона не буде скомпенсирована іншою силою. З цієї причини диск несучого гвинта злегка нахиляють вправо і горизонтальна складова підйомної сили буде спрямована вправо і компенсувати тягу хвостового гвинта і утримувати гелікоптер від «дрейфу» вліво.
Таким чином, при нахилі вертольота вертикальна компонента підйомної сили компенсує силу ваги, а горизонтальна компонента підйомної сили компенсує тягу хвостового ротора. Якщо всі сили врівноважені, гелікоптер залишиться в нерухомому висінні.
Вертикальні переміщення: підйом і зниження
Звернемося знову до першого малюнку, де підйомна сила лопатей ротора дорівнює вазі вертольота, отже гелікоптер підтримує постійну висоту висіння. Для підйому вертольота просто збільшують підйомну силу так, що вона була більше, ніж вага. Швидкість підйому моделі залежить від величини різниці між силою тяжіння і підйомною силою несучого гвинта, що розвивається їм на максимальній потужності двигуна в перший момент часу. Якщо сказати точніше, то скоропідйомність вертольота пропорційна відношенню різниці між максимальною потужністю двигуна і потужністю, необхідною для висіння моделі, до ваги вертольота.
Дуже важливий момент, який необхідно враховувати при виконанні зльоту моделі, показаний на малюнку вище. На цьому малюнку зображена модель, яка збирається злетіти з похилої поверхні землі. Кут нахилу на цьому малюнку перебільшений для наочності.
Раніше наголошувалося, що підйомна сила несучого гвинта ротора завжди перпендикулярна диску обертання лопатей. Оскільки в цій ситуації диск обертання нахилений разом з гелікоптером, то і вектор підйомної сили теж має нахил та розкладається на вертикальну і горизонтальну складові. В цьому випадку, горизонтальна складова змусить гелікоптер переміститися вліво, як тільки він відірветься від землі.
Тому, якщо ви спробуєте злетіти з нерівної поверхні, то гелікоптер завжди буде дрейфувати в напрямок нахилу поверхні землі. Тому краще злітати з горизонтальної поверхні.
Якщо ви злітаєте з нерівної поверхні, диск ротора необхідно нахилити в протилежну сторону для забезпечення вертикального відриву вертольота від землі. В цьому випадку, ручка керування апаратом перекосу повинна бути відхилена перед відривом від землі вправо і потім швидко переведена назад в нейтраль, як тільки гелікоптер виявиться в повітрі. Цим самим, ми забезпечимо зліт моделі без бокового переміщення.
Переміщення по горизонту
На цьому малюнку показаний гелікоптер в горизонтальному польоті і ілюструє такі важливі моменти:
- Загальний вектор підйомної сили лопатей несучого гвинта являє собою суму векторів тяги передньої і задньої лопатей несучого гвинта. Це важливий момент, який раніше ми не обговорювали, тобто вектори підйомної сили лопатей несучого гвинта можуть змінюватися в залежності від їх положення щодо поздовжньої осі моделі. Таким чином, з'являється можливість управляти напрямком руху моделі в горизонтальній площині.
- Сума векторів підйомних сил від лопатей несучого гвинта дорівнює загальній підйомній силі, показаної на першому малюнку.
- Оскільки підйомна сила задньої частини диска обертання лопатей несучого гвинта більше, ніж підйомна сила передньої частини, то хвіст моделі піднімається, а її ніс опускається. Гелікоптер починає рух вперед.
- Коли гелікоптер рухається вперед (це показано на малюнку нижче), вертикальна складова сумарного вектора підйомної сили повинна продовжувати дорівнювати вазі вертольота, щоб утримувати модель на постійній висоті, а його горизонтальна складова визначає величину тяги вертольота вперед.
Увімкніть радіоапаратуру і пересуньте праву руку керування апаратом перекосу на передавачі вперед. Ви побачите, що апарат перекосу на моделі нахилиться вперед. Рух ручки назад в нейтраль вирівнює апарат перекосу, а рух ручки до себе нахиляє апарат перекосу назад. Ці переміщення апарату перекосу управляють кутом нахилу поздовжньої осі моделі або тангажу. Рух ручки вперед опускає ніс, а рух ручки у зворотний бік піднімає ніс.
Для того, щоб краще зрозуміти, як це відбувається, пересуньте ручку керування вперед, нахиляючи апарат перекосу. Поки апарат перекосу нахилений повністю вперед, вимкніть приймач і передавач. Апарат перекосу залишиться в нахиленому положення. Тепер ми можемо проаналізувати, як лопаті основного ротора викликають нахил і горизонтальне переміщення вертольота.
Повільно обертаючи рукою лопаті ротора, поспостерігайте за зміною їхнього кроку по азимуту (куту повороту лопатей навколо валу). В цьому випадку, їх крок не буде постійним, а буде змінюватися циклічно. Тому закон зміни кроку при обертанні лопатей несучого гвинта навколо вала називають «циклічним кроком». Зміна кроку лопаті по азимуту призводить до зміни їх підйомної сили в залежності від нахилу апарату перекосу. У міру зростання кроку зростає і підйомна сила. З цієї причини одна частина диска ротора має більшу підйомну силу, ніж інша.
Обертаючи лопаті за годинниковою стрілкою рукою ви можете очікувати, що для опускання носа моделі максимальний циклічний крок лопать повинна приймати над хвостовою балкою вертольота. Але, якщо ви подивитесь уважно на зміну кроку по азимуту, то помітите, що лопаті будуть досягати максимального кроку на 90 градусів раніше очікуваного положення. Така випереджальна зміна кроку лопатей необхідно через ефект гіроскопічної прецесії.
Гіроскопічна прецесія
Ротор вертольота поводиться подібно гіроскопу, у якого гіроскопічна прецесія викликає розбіжність вектора його переміщення від вектора сили, що впливає на гіроскоп. Ця розбіжність становить приблизно 90 градусів в напрямку обертання від точки прикладання сили (дивіться малюнок нижче).
Це означає, що через гіроскопічну прецесію, лопать із збільшеним кроком і лопать з зменшеним кроком досягнуть свого максимального і мінімального відхилення від горизонтальної площини (помаху), повернувшись на 90 градусів. Тому, для нахилу вертольота вперед, максимальний кут кроку лопаті встановлюється, коли лопать перпендикулярна поздовжній осі вертольота, так як максимальний її помах і тяга виникне через гіроскопічну прецесію, коли лопать буде проходити над хвостовою балкою вертольота.
Крен або бічне переміщення
Аналогічним способом, змінюючи підйомну силу різних сторін диска основного ротора, можна накренити гелікоптер вправо або вліво, як показано на малюнку нижче. Увімкніть вашу радіоапаратуру і, переміщаючи праву ручку керування на передавачі вправо і вліво, простежте за переміщенням апарату перекосу. Переміщення ручки вправо нахиляє апарат перекосу направо і змусить гелікоптер переміститися в цей напрямок. Переміщення ручки вліво викличе протилежну реакцію вертольота.
Ефект землі
Коли вертоліт висить на висоті приблизно менше діаметра диска основного ротора, ми зустрічаємося з «ефектом землі». В цьому випадку швидкість повітряного потоку, створена лопатями ротора, не може досягти великого значення через близькість землі і вертоліт розташовується на «міхурі» повітря високого тиску. При цьому зростає тяга несучого гвинта.
Для більш докладного аналізу цього ефекту необхідно знати, що таке індуктивна швидкість підсмоктування диска і його індуктивний опір. Якщо це вас сильно зацікавило, то можете самостійно познайомитися з особливостями цього ефекту в спеціальній літературі.
На повнорозмірних машинах, при виникненні ефекту землі, вертоліт поводиться подібно людині на великій кулі. Іншими словами, стає дуже нестійким і це не перебільшення. Деякі моделісти кажуть, що цей ефект виникає і на їх вертольотах.
Проте, немає однозначної думки, що на всіх моделях виникає цей ефект землі. Можливо деякі моделі вертольотів більш схильні до цього ефекту. Ступінь вплив ефекту землі залежить від вітру. Ефект максимальний в тихі дні і слабшає при збільшенні швидкості вітру, оскільки вітер видуває повітря високого тиску з-під вертольота.
Підйомна сила при косому обтіканні
У горизонтальному польоті вертольота підйомна сила несучого гвинта зростає через підвищення швидкості повітряного потоку і збільшення кількості повітря, що проходить через ротор, за одиницю часу. Додаткова підйомна сила при косому обтіканні виникає при будь-якому горизонтальному переміщенні і прямо пропорційна горизонтальній швидкості вертольота. Додаткова підйомна сила легко розпізнається в польоті поліпшенням льотних якостей вертольота.
Оскільки підйомна сила від переміщення пропорційна швидкості повітряного потоку, то вона виникає не тільки при горизонтальному переміщенні вертольота, але і при висінні, коли дме вітер. Додаткова підйомна сила, що виникає при вітрі, може і допомагати, і заважати.
Позитивним є можливість зменшити потужність двигуна при висінні або горизонтальному польоті. Але, якщо вітер поривчастий, політ буде важко керованим, оскільки підйомна сила збільшується при зростанні швидкості вітру і зменшується, як тільки вітер стихає. З цієї причини необхідно виконувати висіння тільки при стійкому вітрі зі швидкістю не більше 3-5 метрів в секунду.
Авторотація
Цей термін характеризує безмоторний політ вертольота, тобто, коли двигун зупинений, а основний ротор обертається за інерцією і через дію потоку повітря на лопаті при зниженні.
Коли двигун обертає основний ротор в нормальному польоті, потік повітря є спадним через диск ротора.
Коли ж двигун зупиняється в польоті і вертоліт входить в зниження з авторотацією, потік повітря стає висхідним через диск ротора. Цей висхідний потік повітря і переведення лопатей на негативний крок змушують ротор продовжувати обертатися і зберігають керованість вертольотом при зниженні і посадці.
Вертоліт зі здатністю до авторотації має обгінну муфту в системі ротора, яка дозволяє лопатям основного ротора продовжувати вільно обертатися, навіть якщо двигун зупинився. Зовсім необов'язково для моделі вертольота мати можливість авторотації, але якщо цього немає, то основний ротор досить швидко зупиниться, якщо двигун заглохне в польоті і аварія з великим збитком фактично неминуча.
Рискання вертольота
Одна з причин, по якій ми купуємо радіоапаратуру для вертольота (замість радіоапаратури для літака), полягає в необхідності додаткових функцій управління моделлю вертольота, що значно полегшує пілотування. Це не говорить про те, що ви не можете використовувати радіоапаратуру від моделей літаків для пілотування вертольотом (принаймні на початковому етапі), просто з радіоапаратурою для вертольота легше навчатися пілотуванню.
Для того, щоб краще зрозуміти функцію компенсації рискання хвостової балки, подивіться на малюнок 3, на якому вертоліт показаний зверху. Зверніть увагу, що лопаті ротора обертаються двигуном за годинниковою стрілкою і, оскільки, для кожної дії є рівна протидія, ніс вертольота буде повертатися вліво (проти годинникової стрілки). І з цієї причини вертольоту потрібен ротор хвоста для компенсації реактивного моменту від обертання лопатей.
Тепер уявімо собі вертоліт в позиції висіння (коли всі сили збалансовані) і ми хочемо піднятися. Для цього збільшують колективний крок лопатей ротора, щоб збільшити підйомну силу гвинта. Отже збільшується обертаючий і реактивний моменти, а ніс вертольота буде повертатися вліво. Для того, щоб тримати ніс прямо, просто додайте трохи тяги хвостового ротора, щоб компенсувати це збільшення реактивного моменту.
І ми повинні робити це вручну кожен раз, коли змінюється крутний момент (при підйомі або зниженні вертольота), і витрачати багато часу і зусиль для управління хвостовим ротором, щоб утримувати ніс моделі прямо. З цієї причини функція компенсації рискання хвостового ротора зробить наш політ легше.
У більшості радіоапаратури (принаймні, недорогій) передбачається, що вертоліт знаходиться у висінні, коли ручка управління дроселем і колективним кроком перебуває в середньому положенні, а зниження і підйом відбувається, якщо ручка переміщається з цієї точки. Дві кнопки (програма для комп'ютерної радіоапаратури) — одна для підйому, а інша для зниження — використовуються, щоб відрегулювати величину компенсації рискання хвостового ротора при відхиленні ручки управління від середньої позиції при висінні. У міру того, як ручка переміщається для підйому вертольота вперед, автоматично додається величина кроку хвостового ротора (і, аналогічним способом, крок хвостового гвинта зменшується, коли для зниження вертольота, ручка управління переводиться в позицію нижче середньої).
Цей автоматичний вплив на крок хвостового ротора протягом підйому і зниження допомагає утримувати ніс вертольота прямо і істотно зменшує наше навантаження при пілотуванні моделі.
Для регулювання компенсації «вгору», піднімайте вертоліт з висіння і дивіться напрямок переміщення носа. Якщо ніс переміщається вліво протягом підйому, компенсація хвостового ротора недостатня, тому збільшуйте потрохи величину компенсації «вгору» і повторіть спробу, робіть невеликі зміни, до тих пір, поки ніс стане утримуватися прямо протягом підйому.
Аналогічним способом, мається на увазі переміщення ніс протягом зниження, регулюється компенсації «вниз».
Горизонтальні розвороти
Розглянемо явища, що відбуваються з вертольотом при виконанні розворотів в горизонтальному польоті. При виконанні розвороту вертоліт накреняють.
На малюнку нижче показаний вид вертольота, що виконує горизонтальний політ з правим креном.
Зверніть увагу, що вектор підйомної сили несучого гвинта, як і раніше, перпендикулярний диску обертання. Вектор сили ваги залишається перпендикулярний поверхні землі. Оскільки вектор підйомної сили нахилений право на певний кут, Його вертикальна складова протидіє силі ваги моделі, а горизонтальна її складова штовхає вертоліт вправо і змушує вертоліт виконувати правий розворот.
Це добре видно на цьому малюнку:
Зверніть увагу, що при нахилі вертольота вправо, ніяких змін у величині підйомної силі несучого гвинта не відбулися. Тобто довжина вектора підйомної сили залишається постійною. Розкладаючи вектор загальної підйомної сили несучого гвинта, ми бачимо, що вертикальна складова вектора на цьому малюнку тепер менше ваги. Якщо підйомна сила менше ваги, то вертоліт знизиться.
Але, коли виконуєте горизонтальний поворот, ви безсумнівно не хочете, щоб вертоліт кожен раз знижувався. Тому, коли ви входите в поворот, необхідно збільшувати загальний вектор підйомної сили, поки його вертикальна складова не зрівняється з вагою. Це знову врівноважить всі сили (принаймні у вертикальному плані).
Але як і наскільки збільшити загальну підйомну силу? Вводячи вертоліт в горизонтальний поворот, повна підйомна сила підвищується підняттям носа вертольота для збільшення кута атаки диска несучого гвинта.
Ступінь збільшення підйомної сили або переміщення ручки управління тангажем залежать від характеристик вертольота і від кута крену. Якщо ви сильно задерете ніс вертольота, то він буде підніматися і, очевидно, що недостатній підйом носа повинен викликати зниження моделі.
Крім того, необхідно враховувати інший важливий момент. Кут відхилення керма управління тангажем для підтримки горизонтального польоту в узгодженому повороті залежить від кута крену вертольота. При великих кутах крену (більше 60 градусів) вертикальна складова підйомної сили, що протидіє силі ваги вертольота буде ще менше.
При крені в 90 градусів взагалі немає вертикальної складової і незалежно від того, як би не задирали ніс вертольота, компенсації ваги немає і вертоліт, отже, буде втрачати висоту.
В цьому випадку, будь-який кут відхилення ручки управління тангажем «на себе» буде додавати підйомну силу до ваги моделі. Проте, є випадки, коли це дуже необхідно, наприклад, в момент виконання другої половини петлі або будь-якого іншого низхідного вертикального маневру. Крен дуже важливий для виконання горизонтальних розворотів. При великому крені потрібно більше відхилення ручки управління тангажем моделі для підтримки горизонтального польоту без втрати висоти.
При виконанні горизонтальних розворотів, необхідно враховувати напрямок обертання основного ротора. Вертоліт з обертанням ротора за годинниковою стрілкою дуже легко розгортається вправо, а з гвинтом, що обертається проти годинникової стрілки, — вліво, практично без втручання управління хвостовим гвинтом.
