Летающий джип, построенный вокруг пропеллера. Curtiss-Wright X-19

[strangernn]

Воздушный джип X-19 (кликабельно)

Машинка эта, Curtiss-Wright X-19, задумывалась, вообще-то, как коммерческое аэротакси безаэродромного базирования, но единственным потенциальным заказчиком машины оказалась американская армия. Вот как раз у них все время было и есть желание заполучить авиатраспортное средство, сочетающее маневренность вертолета со скоростями и дальностью самолетов.

еще ракурс (кликабельно)

Но, как выяснилось впоследствии, разработка машины изначально двинулась по ложному пути. Первым был создан универсальный воздушный винт, одинаково пригодный как для вертикального взлета и полета по-вертолетному, так и для полета по-самолетному. Определившись с геометрией такого пропеллера конструкторы перешли к схеме двигательной установки - и тут попали в ловушку. Пытаясь уменьшить количество всякого движущегося металла на подвижных консолях с винтами они избрали схему централизованной силовой установки с развитой трансмиссией, раздающей мощность по пропеллерам. К чему это привело - понятно.

Во-первых, сама сборка редукторов, которая должна была раздавать суммарную мощность в 4400л.с. ( 2× Avco Lycoming T55-L-5) была крайне ненадежна. Даже в идеальном состоянии ее межремонтный пробег не превышал 5 часов, но из-за некачественной термообработки шестеренок коробка постоянно ломалась. А во-вторых - здоровенная трансмиссия занимала существенную часть фюзеляжа, и что немаловажно - требовала еще и своего собственного охлаждения.

машина висит. Хорошо видна V-образность положения винтов.

В результате машина длиной почти 13 метров вмещала всего 8 человек - двоих пилотов и шестерых пассажиров, да и тем пришлось вжиматься в кабину длиной около 3 метров, и сечением 1.4х1.2м. Все остальное пространство фюзеляжа занимали валы, шестерни и топливные баки (из-за неудачной конструкции которых последние 250 литров топлива из примерно ~1900 исходных были недоступны моторам).

Второй "ахиллесовой пятой" машины была ее ужасная управляемость, особенно на переходных режимах. Если в режиме висения, расположив винты несколько заваленными к центру машины (при взгляде сбоку плоскости винтов образовывали сильно расплющенную букву V) конструкторам удалось создать ООС по тангажу (хотя машина при самовыравнивании моталась вперед-назад), то переход от висения к горизонтальному полету требовал от пилота ювелирного мастерства. Причем, - отдельного при каждом варианте загрузки аппарата.

схема управления X-19

Адреналину добавляла и неспешная реакция самолетных, по сути своей, двигателей, - между изменением "газа" и изменением их мощности проходила почти секунда, да и количество осей, по которым требовалось вручную крутить аппарат одноголовым и двуруким пилотам спокойствия не прибавляло. Особенно сложно приходилось при попытках управлять аппаратом сразу по всем трем осям, да еще при переходе от вертикального полета к горизонтальному и обратно - а мощных и легких компьютеров, которые могли бы взять на себя все сложности и нюансы управления тогда еще не придумали.

1963 года, перед первым полетом X-19

Окончательно же добило машину доведение трансмиссии до ума. В процесе борьбы с поломками ее детали укрупнялись, утяжелялись, - а в итоге, после обязательной комплектации машины катапультными креслами, - "грузоподьемность" просела до 185 кг, или 10 минут висения с одним пилотом. Или одной минуты - с двумя. Разумеется, это не лезло ни в какие ворота и испытания двух построенных прототипов были свернуты.

Хотя, прошу заметить, характеристики машины исходно были очень интересны: скорость горизонтального полета 730км/ч при дальности 530км и потолке, ограничиваемом только негерметичной кабиной. Жаль, что не получилось, был бы интересный вариант...

Comments

[biglebowsky.livejournal.com]

Очень интересно, спасибо!

Но, как всегда, много вопросов.
Сравним с ближайшими аналогами - вертолетами продольной схемы.

Piasecki H-21
1 поршневой двигатель 1,425 лс и длинная-длинная трансмиссия.
http://en.wikipedia.org/wiki/Piasecki_H-21

Boeing CH-47 Chinook
http://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_CH-47_Chinook
Вообще, невероятно похож. Тоже - оба двигателя сзади и длинная трансмиссия. Двигатели - те же газоторбинные, каждый по 3,750 лс. И все работало.

Все, что сделали в обсуждаемой схеме - добавили 1 лишний поворот в трансмиссии.

Совершенно не ясно, почему должны возникать проблемы с управлением. Вроде как, все сделано много лучше, чем на классическом вертолете.

[strangernn.livejournal.com]

Так у вертолетов продольной схемы всей трансмиссии - вал и две угловых передачи. А тут и поворотные узлы, и угловых передач (простых) четыре штуки, и валов раза в три (по метрам) больше (вес и вибрации), а самое интересное - это вид нагрузки в T-образном "разветвителе" при разном шаге винтов. Это по нагрузкам трансмиссии.

Проблемы с управлением в переходных режимах - из-за очень большого количества перекрестных обратных связей по всем каналам, как прямых, так и косвенных, еще и помноженные на инертность двигателей (парирование паразитной связи происходит с задержкой, что усугубляет положение, заставляя рвануть органы управления сильнее, чем требуется).

[biglebowsky.livejournal.com]

> и валов раза в три (по метрам) больше
Если считать, что винты одинаковые, то да. А если считать, что одинаковы ометаемые полощади, то на 4-винтовой схеме у винтов в 1,4 раз меньше диаметр. Итого, длина трансмиссии в 2 раза больше.

Перекрестных связей в этой штуковине, в отличие от вертолета классической схемы, практически нет.

Да, и "чтобы два раза не вставать".
Смысл этой схемы в том, чтобы отказаться от автоматов перекоса. Наклон плоскости винтов осуществляется изменением наклона всего аппарата. Соответсвенно, нельзя выносить двигатели на пилоны - возрастет момент инерции.
Osprey, если не ошибаюсь, имеет автоматы перекоса.

[strangernn.livejournal.com]

1. А с какого бока тут площадь ометания? Это чисто компоновочная проблема - поперечные валы никуда не денутся, а разнесение винтов может быть любым.

2. Ну как же! Пытаемся в момент переходв от висения к горизонтальному полету наклониться влево (например). Увеличиваем шаг правых винтов, нагрузка на движки растет, и вместе с наклоном мы получаем падение оборотов и высоты, и это при идеальной уравновешенности в продольном направлении. Если же у нас есть малейший наклон (а он есть) - то машина начнет отклоняться в противоположную первоначальному наклону сторону и по тангажу. Ну и по рысканию уведет. Вы, конечно, добавите газу - но движки отреагируют с задержкой, и у вас все шансы войти в раскачку.

3. Потому и есть автоматы перекоса, что так оказалось куда как проще управляться в режиме "по-вертолетному", чем в такой "простой" схеме.

[biglebowsky.livejournal.com]

1) Пусть D_2 - диаметр винта вертолета 2-винтовой схемы, L_2 - длина валf.
D_4 - диаметр винта вертолета 4-винтовой схемы, L_4 - суммарная длина валов.

Утверждается, что, если вертолеты подобны
2*D_2^2 = 4*D_4^2
Кроме того, из геометрии вертолетов следует
L_2 ~ 1*D_2
L_4 ~ 3*D_4

2) > Пытаемся в момент перехода от висения к горизонтальному полету наклониться влево (например). Увеличиваем шаг правых винтов, нагрузка на движки растет, и вместе с наклоном мы получаем падение оборотов и высоты

Одновременно уменьшаем шаг левых винтов. В первом приближении нагрузка на двигатель не меняется. Во втором приближении - меняется за счет ухода лопастей с оптимальных углов атаки.

Ну так, и у самолета то же самое или хуже - при наклоне за счет элеронов упадет аэродинамическое качество крыла, да еще и по курсу разворачивать начнет: то крыло, которое лезет вверх, будет сильнее тормозиться.

У вертолета классической схемы тот же набор проблем + собственные заморочки. Чтобы создать крен на классической схеме, мы точно так же пытаемся автоматом перекоса увеличить угол атаки с одной стороны и уменьшить с другой.
Но получается хуже, потому как
- из-за гироскопического эффекта приходится все это дело сдвигать на 1/4 оборота - возникает связь между креном и тангажом
- на одновинтовой схеме любые игры с любыми органами контроля надо всегда парировать хвостовым винтом - баланс уходит.

[strangernn.livejournal.com]

1. Это я все понимаю. Но это верно только для случая соприкасающихся площадей ометания, в то время как у "пациента" разнесение винтов гораздо больше?

2. У самолета при этом движки не просядут, а тут требуется дополнительная и заблаговременная (ввиду задержки реакции) работа сектором газа. В принципе, все это можно научиться делать, но сложно. Кстати, одновинтовой вертолет, при всех своих проблемах, очень тяжело перевернуть набок, а эту вот машину опрокинуть - запросто. ООС по крену нет никакой.

[biglebowsky.livejournal.com]

> в то время как у "пациента" разнесение винтов гораздо больше?
Обычно не разносят. Ужимают сколько можно. Край винта по границе фюзеляжа.

> ООС по крену нет никакой
- должны были сделать поперечное V с плоскостями винтов. Вот если не сделали, то это привело бы к проблемам.
- какую-то ООС создает вытянутый вверх киль, но тут - дело темное. Киль выше центра тяжести, а центр боковой проекции корпуса, скорее всего - ниже.

[strangernn.livejournal.com]

1. Однако, по границе фюзеляжа - это уже зазор между винтами в полтра-два метра. Т.е., расчет длины валов для замены двух винтов на четыре - "поплыл" дополнительными метрами. Ж8-)))

2. Ни на фото, ни на схеме - поперечное V не просматривается. Кстати, это не идеальное решение - при самовыравнивании будут относительно большие плоские сдвиги из-за нескомпенсированной горизонтальной составляющей.

[biglebowsky.livejournal.com]

> при самовыравнивании будут относительно большие плоские сдвиги из-за нескомпенсированной горизонтальной составляющей.

И даже хуже (с)

Летательные аппараты по-другому выравниваться не умеют :-(((
Пусть летательный аппарат (без автопилота) наклоннлся (точнее - "накренился"). В результате - он начинет двигаться вбок. В результате возникает боковая обдувка. Эта обдувка чатично израсходуется на то, чтобы убрать крен, а частично - на то, чтобы развернуться по курсу в сторону обдувки. Последний эффект нежелателен, но, увы, без него никак. Летательный аппарат не знает, чем вызвана боковая обдувка - креном или рысканьем, соответсвенно, меняет оба параметра.

Так что, устраняя крен, не просто вбок сместится, но еще и по курсу развернется.

[strangernn.livejournal.com]

Обычная вертушка, "подвешенная за макушку" к подобным кренениям в принципе не слишком предрасположена. В отличие от этой системы.

Кстати, у такого, как в данном случае аппарата с поперечным V - паразитный боковой обдув будет только увеличивать крен и смещение. Выравнивание происходит за счет уменьшения вертикальной составляющей в тяге винтов "поднятого" борта.

[biglebowsky.livejournal.com]

> Обычная вертушка, "подвешенная за макушку" к подобным кренениям в принципе не слишком предрасположена.

:-)
Нет нет и нет. Не существует вбитого в небо гвоздя, на котором висит вертолет классической схемы :-)

Крен на классическом вертолете уходит именно так, как я описал - за счет развития бокового скольжения. Игра идет на том, что лопасти винта описывают в пространстве не диск, а конус, то есть положительное V у классического вертолета возникает само собой.

Очень рекомендую мемуары Роберта Мейсона. Эпизод, как он учился управлять вертолетом http://community.livejournal.com/vietnamwar_ru/130546.html#cutid1 внизу страницы.

Примечание. Винты обсуждаемой 4-винтовой схемы тоже обладают конусностью. Но ее может не хватить, нужно привносить что-то дополнительное искусственно.

[strangernn.livejournal.com]

Я немного не об этом. Дело в том, что ЦТ обычного вертолета находится сильно ниже точки приложения тяги винта. Так что он даже без V винта (знаю я про него) имеет склонность к самовыравниванию.

А вот у данного экземпляра - никаких шансов. Единожды начавши опрокидываться - он так и кувыркнется, если пилот руками не парирует крен. Со всеми вытекающими.

[biglebowsky.livejournal.com]

> Дело в том, что ЦТ обычного вертолета находится сильно ниже точки приложения тяги винта. Так что он даже без V винта (знаю я про него) имеет склонность к самовыравниванию.

Ни малейшей.

Давайте упростим модельку. Уберем гироскопические эффекты, нежесткую связь между корпусом и винтом etc.

Итак. Летящая вверх, точнее, пытающаяся зависнуть, ракета. Можем расположить двигатель снизу (стандартный вариант). А можем и сверху (тянущая схема). В последнем случае потребуется несколько сопел, чуть наклоненных в стороны (прямо вниз выхлоп направить не можем, там же корпус). Именно по тянущей схеме делается спасательный двигатель на космических кораблях. Этот двигатель, при необходимости, должен утащить отсек с космонавтами от остальной части ракеты.

Итак, точка тяги сверху, центр тяжести снизу. Ни малейшей тенденции к стабилизации. Потому как, одновременно с поворотом корпуса, повернется и двигатель.

[strangernn.livejournal.com]

В поле тяготения - тянущая схема сохранит более-менее полет вверх, поскольку есть некий рычаг, стремящийся привести систему к вертикали. А вот толкающая без дополнительной стабилизации - впадет в кувыркания с постепенной тенденцией к стабилизации полета вертикально вниз. Можете проверить.

[biglebowsky.livejournal.com]

> поскольку есть некий рычаг, стремящийся привести систему к вертикали

Я в некотором затруднении. Даже не знаю, как это объяснить. Нужно долго говорить о том, что такое "момент силы относительно ЦТ", и почему перенос точки приложения силы вдоль вектора силы ни на что не влияет :-(

О модели ракеты. Полагаю, что при переходе на тянущую схему в модели менялась еще и форма корпуса. В результате ЦТ оказывался ближе к носу ракеты, чем аэродинамический центр корпуса.

[strangernn.livejournal.com]

Я как бы понимаю о чем речь. Если речь идет о ситуации вне поля тяготения - то вы правы. Но введите силу тяжести в схему, и все сильно поменяется.

У "тянущей" ракеты сверху был корпус с движком и лентой, а вниз уходила тонкая стальная струна с залитым (на петлю) куском свинца идеальной формы. Взлетело идеально вверх, но поскольку тяжелее вышло, чем у трубки со стабилизаторами, да и после завершения тяги заколбасилось немного - высота практически не изменилась.

[biglebowsky.livejournal.com]

> Но введите силу тяжести в схему, и все сильно поменяется.
Будем рассматривать моменты всех сил относительно ЦТ. Тяготение никак не повлиет - оно создает нулевой момент относительно ЦТ.

> тонкая стальная струна

Струна была гибкой как нитка? Или достаточно пружинистой? Дело в том, что аэродинамический стабилизатор в виде длинной деревянной "соломинки", это - стандартное решение. Грузик в этом случае был ошибкой. Он сдвигал ЦТ назад, ухудшая стабилизацию, да и дополнительный вес ракете не полезен.

[strangernn.livejournal.com]

1. Это пока точка подвеса (у вертолета) и ЦТ - на одной вертикали. Как только они отклонятся - то появится приводящий к вертикали момент. Но скольжение, конечно будет. С этим странно спорить было бы.

2. Жесткой, но предельно тонкой. Аэродинамическим стабилизатором оно (даже вместе со свинцом) работать не могло.

[biglebowsky.livejournal.com]

> 1.
Для упрощения рассмотрим идеально жесткий вертолет - геометрия никак не меняется при поворотах.

Исходное состояние.
Вертолет висит. Вектор тяги винта проходит через ЦТ, направлен вертикально вверх и уравновешивает силу тяжести. Моменты относительно ЦТ нулевые.

Повернули вертолет набок на 90 градусов. В первый момент времени будем считать, что линейная скорость вертолета не успела измениться и, по-прежнему, ноль.

Утверждается, что вектор тяги винта точно так же повернется набок. Он по-прежнему будет проходить через ЦТ (вертолет не деформируется) и, соответсвенно, по-прежнему не будет создавать момента относительно ЦТ.
Сила тяжести, тоже, не создает моментов относительно ЦТ. То есть, суммарный момент отоносительно ЦТ так и останется нулевым.

Минутку. Давайте я схемку изображу.

[strangernn.livejournal.com]

Давайте рассуждать в системе координат связанной с НВ, чтобы не думать про смещения машины в целом, и не принимать в расчет горизонтальную составляющую. F1=F2, коль скоро машина у нас не улетает вверх и не падает, но ведь имеется же и нормализующий момент в размере L x F2?

Re: Минутку. Давайте я схемку изображу.

[biglebowsky.livejournal.com]

ОК.
Мне потребуется некоторое время, чтобы нарисовать схемку.

Re: Минутку. Давайте я схемку изображу.

[biglebowsky.livejournal.com]

Re: Минутку. Давайте я схемку изображу.

[strangernn.livejournal.com]

На схемах 2 и 3 есть ровно такой же восстанавливающий момент! Поскольку ни точка "подвеса", ни плечо, ни приложение силы тяжести к ЦТ никуда не деваются. Можно только говорить о том, почему накренившийся вертолет не выравнивается, а продолжает скольжение в сторону - но тут уже играет роль ускорение (в отсутствие ускорения - инерции нет), а после его завершения - аэродинамическое сопротивление скользящего вбок корпуса.

Вы доказали, что первая производная вертикальной скорости у накрененного вертолета равна нулю. Так ведь я же и не спорю, и более того, привязал точку отсчета к втулке НВ, чтобы вообще не думать об этом.

[strangernn.livejournal.com]

Я ракетомоделист со стажем (правда - больше 20 лет прошло), и даже пробовал ракеты "тянущей" схемы с гравитационной стабилизацией. Надеялся за счет уменьшения сопротивления воздуха (стабилизаторы убрал) высоту взлета увеличить. Но реализация вышла кривая - однако, ракета не кувыркнулась, в отличие от обычной "толкающей" без стабилизаторов.

[biglebowsky.livejournal.com]

Да, в длину, действительно, винты избыточно разнесены.
Но это - "копейки". Там же 1 вал. Вот если бы вбок растащить, на суммарную длину приводов повлияло бы в 2 раза сильнее :-)