Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі

Реферат: Винахід належить до авіації, а саме до вертольотів. Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі містить жорстко прикріплену до корпусу передньої верхньої частини фюзеляжу вертольота напрямну з лезовими елементами, яка своїм зівом спрямована під кутом вперед від фюзеляжу вертольота. Згідно з винаходом, пристрій містить елемент остаточного розпилювання дротової перешкоди, що має радіальний вентиляторний привод, що складається з окремих вентиляторних секцій, розміщених на одній осі, який встановлений перпендикулярно до напрямної. Пристрій має жорстко закріплені на осі співвісно з радіальним вентиляторним приводом дискові сегментні пилки різного діаметра, причому вісь розміщена з можливістю обертання в підшипниках, що приєднані до верхньої передньої частини фюзеляжу вертольота. Запропонований винахід забезпечує гарантоване та остаточне руйнування дротової перешкоди при зіткненні вертольота з нею в польоті, що усуває явище динамічного удару на корпус вертольота, його бортові системи та членів екіпажу. UA 115855 C2 (12) UA 115855 C2 UA 115855 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до області авіації, а саме таких літальних апаратів, як вертольоти та забезпечення безпечної експлуатації, перш за все багатоцільових вертольотів військової авіації, і може бути застосований для їх гарантованого захисту при зіткненнях з повітряними дротовими перешкодами: дротами ліній електропередач, лініями грозозахисту, кабельними повітряними лініями зв'язку, тросовими розтяжками антен різного призначення тощо. З метою розв'язання вирішення проблеми зіткнення вертольотів з дротами сталеалюмінієвої групи різного перетину, які становлять основну загрозу польотам вертольотів на малих висотах у повітряному просторі України, розробниками винаходу було звернуто увагу на деякі технічні та аеродинамічні особливості процесу польоту вертольота, а саме: аеродинамічні особливості польоту вертольота на малих висотах та робота його несучого гвинта (далі - НГ); утворення НГ упорядкованих вертикальних повітряних потоків за типом вертикальної кільцевої струменевої течії; проблеми, які виникають при зіткненні вертольотів з дротами стале-алюмінієвої групи різного перетину. Загальновідомо, що НГ вертольота призначений для створення підйомної і рушійної пропульсивної сили, іншими словами, він забезпечує підйом вертольота і його горизонтальне переміщення в повітрі. Робота НГ вертольота на малій висоті має свою специфіку, яка пов'язана з особливою взаємодією низхідного індуктивного потоку НГ з поверхнею землі. Вплив екрануючої поверхні на аеродинамічні характеристики НГ залежить від ряду факторів, передбачити які досить складно. Тобто, горизонтальна поверхня землі має суттєвий вплив на аеродинамічні характеристики працюючого поблизу неї НГ. Тому, польоти вертольотів рекомендують виконувати на висоті не менше 15 м - над звичайною рівнинною поверхнею і не менше 20 м - над сильно пересіченою місцевістю та зі швидкістю не менше 60 км/год. Як відомо з теорії і практики польоту будь-якого типу повітряного судна, обладнаного двигуном, за ним відбувається інтенсивне турбулентне збурення повітряного середовища, яке називається - турбулентний супутній слід (далі - ТСС). Крім ТСС, вертольоти також створюють і ділянки сильних низхідних повітряних потоків, що виникають від роботи НГ та служать для створення підйомної сили. Головним моментом для ТСС, який утворюється за та під вертольотом є те, що при цьому буде спостерігатися не тільки зона загального потужного невпорядкованого турбулентного збурення повітряного середовища, а й будуть формуватися помітні ділянки сильних та упорядкованих вертикальних повітряних потоків, за типом повітряної вертикальної кільцевої струменевої течії, як показано на фіг. 1. Для вертольотів морської авіації Військово-Морських Сил Збройних Сил України, завдяки особливостей будови його силової установки і НГ, які обертаються в протилежних напрямках, формування турбулентного збурення повітряного середовища може бути дещо іншим, але значні ділянки сильних та упорядкованих вертикальних повітряних потоків, за типом вертикальної кільцевої струменевої течії, також формуються, як це схематично показано на фіг. 2. Графік залежності швидкості повітряного потоку від НГ та відстані від площини його обертання, зображений на фіг. 3. Зазначені приблизні значення ізотах будуть, в кожному конкретному випадку, залежати від параметрів роботи НГ, потужності двигуна, числа обертів НГ, кроку гвинта, діаметра гвинта тощо. Але загальний характер розташування ізотах, а саме спадання їх значень в міру віддалення від вертольота, буде залишатися таким же. Відповідно до законів нерозривності і аеродинаміки, робота НГ вертольота призводить до того, що вниз під вертоліт відкидається значна маса повітря, яка створює над гвинтом "купол розрідження", в якому різко падає щільність повітря і відповідно, тиск повітря (Н). Це і створює надпотужні компенсаційні градієнти перепадів щільності і атмосферного тиску, які спрямовані ззовні навколишнього повітряного середовища в бік "купола розрідження" над працюючим гвинтом. Відомо, що ці градієнти щільності і тиску повітря і є тією рушійною силою, яка створює масовий, і досить потужний рух повітря великої швидкості (вказано стрілками) в зв'язку з величезними локальними значеннями цих градієнтів. Рух повітряних мас під вертольотом, викликаний НГ вертольота - саме це і є турбулентний супутній слід ТСС під вертольотом. Він має набагато більшу швидкість, ніж над вертольотом, є надзвичайно турбулізованим і має тип потужної струменевої течії, які більш вузькоспрямовані і є значно більш швидкісними і протяжними, ніж рух над вертольотом. 1 UA 115855 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Згідно з загальноприйнятою шкалою сили вітру Ботфорта, вітер зі швидкістю 32,6 м/с, або більше, тобто - 117 км/год., що відповідає 12 балам, вже є ураганом та призводить до величезних руйнувань будівель, знищення дерев та рослинності тощо. Автори винаходу прийшли до висновку, що якщо в районі верхньої частини кабіни вертольота, НГ створює повітряний потік з ізотахами можливого значення швидкостей потоку 40-45 м/с, що приблизно дорівнює 145-160 км/год., то таку силу потоку повітря цілком можливо використати в задіюванні радіального вентиляторного приводу пристрою остаточного розрізання дротової перешкоди. Саме цю особливість було взято за основу запропонованого винаходу. Відома система захисту вертольота від зіткнення з дротами, Заявка США на винахід WO 99/38770; PCT/US 99/02014 "Система захисту від зіткнення із дротами з вбудованою антеною". 6 МКИ В 64 D, 05.08.99, яка складається з антени, яка містить активний елемент в відхиляючому пристрої, бази для установки цієї системи на вертоліт, а також напрямної з лезовим елементом зі спрямованим вперед зівом, який встановлений на базі та перетирає дротову перешкоду при зіткненні вертольота з нею. Відхиляючий пристрій з пластиною, яка виступає вгору від напрямної з лезовим елементом, має передню кромку, спрямовану вгору і вперед для відхилення дротів у зів пристрою. Недоліком подібного рішення є те, що для повного розрізання дроту потрібні значні фізичні зусилля та подолання сил тертя при його переміщенні уздовж напрямної з лезовим елементом, що збільшує динамічний вплив на фюзеляж вертольота, його бортові системи та екіпаж. Як зазначалося у відкритих матеріалах 16-ї Науково-технічної конференції Державного науково-випробувального центру Збройних Сил України, що відбулася 8-9 вересня 2016 року в м. Чернігові, згідно зі звітом Федеральної Авіаційної Адміністрації США (FAA) "Safety Study of Wire Strike Device installed on Civil and Military Helicopters", вертольоти армії США, щороку здійснювали 10-20 зіткнень з дротами. І тільки, після обладнання % частини військових вертольотів системами захисту від дротів WSPS (Wire sfrike protection system), ці показники знизились в 2-4 рази, а загибель льотного складу з цих причин, припинилась взагалі. Отже запровадження системи захисту від дротових перешкод WSPS, які зображені на фіг. 4-9, дозволили в рази зменшити аварійність військових вертольотів США із зазначених причин. Подібні технічні рішення можливо прийняти за прототип запропонованого нами пристрою тільки в частині процесу попереднього перетирання дроту з технічним результатом руйнування на 2/3 його перетину до моменту подачі дротової перешкоди до пристрою остаточного розрізання, який заявляється до винаходу. Загальним недоліком відомих технічних рішень, в тому числі і наведеної системи WSPS є те, що дротова перешкода, в процесі свого руйнування, проходить повз ріжучі краї лезових елементів відстань, рівну 5-10 своїх діаметрів. Але, подібний процес руйнування є більшою мірою перетиранням, аніж розрізанням. При цьому імпульс від сили подолання тертя, відповідно, в 5-10 разів перевищує імпульс від сили перерізання. 4 Також відомо дроторіжучий пристрій, Патент SU №1163802 А. Вертоліт. МКИ В 64 С 27/00. Бюл. №23, 23.06.85, який має корпус з вирізом, по краях якого, виконані дві ріжучі кромки, що під кутом 5-10° сходяться в напрямку до хвостової частини фюзеляжу, утворюючи трикутник з основою 50-100 мм. Ріжучі кромки виконані у вигляді окремих лезових елементів, жорстко прикріплених до корпусу, які в поперечному перерізі мають форму рівнобедреного трикутника з кутом при вершині 45-75°. Дроторіжучий пристрій забезпечений відхиляючим пристроєм, який виконаний у вигляді пластин, скріплених з корпусом, причому кромки відхиляючого пристрою плавно пов'язані з лезовими краями дроторіжучого пристрою. Кожна кромка відхиляючого пристрою виконана з пазом, в якому жорстко закріплено загартоване дрібнозубе пилкове полотно. Таким чином, напрямні, які жорстко прикріплені до корпусу фюзеляжу вертольота, виконані за клиновидною формою та мають лезову або дрібнозубу пилкову кромку, що надає можливість переміщенню та стиранню тіла дротової перешкоди. Недоліком цих рішень також є те, що система повністю та гарантовано не розрізає дротову перешкоду, а тільки, методом застосування сил тертя при переміщенні дроту уздовж напрямної з лезовим елементом, частково перетирає її. При цьому динамічний вплив на фюзеляж вертольота, його бортові системи та на екіпаж, залишається надвисоким. На даний час, вертольоти авіаційних підрозділів усіх, без винятку, Видів Збройних Сил України, навіть наведеними системами WSPS - не обладнані взагалі. В основу винаходу, заявниками покладено свій, досить не стандартний підхід до вирішення проблеми на основі нового принципу, а саме, не на основі відомого методу перетирання дроту, а методу його розпилювання. 2 UA 115855 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований пристрій захисту вертольота при його зіткненні з повітряними дротовими перешкодами в повітрі складається з двох функціональних частин, а саме: першої - стандартних напрямних з лезовими елементами; другої - пристрою остаточного розпилювання дротової перешкоди за допомогою радіального вентиляторного приводу, на якому, співвісно, закріплені дискові сегментні пилки. Задача, на вирішення якої цілеспрямовано заявляється винахід, є зниження динамічного впливу на фюзеляж вертольота і його системи при його зіткненні з повітряною дротовою перешкодою, де, окрім складових сил тертя (перетирання), буде гарантовано здійснено їх остаточне розпилювання. Технічний ефект, отриманий при установці на вертоліт заявленого пристрою, полягає в зниженні динамічного впливу на фюзеляж вертольота, його бортові системи та екіпаж при зіткненні з повітряними дротовими перешкодами. Загальний візуалізований вигляд базового вертольота Збройних Сил України, який може бути обладнаний пристроєм захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, візуалізовано зображено на фіг. 10. Технічний результат досягається тим, що пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, виконаний за наступним запропонованим технічним рішенням: 1. Окрім напрямних з лезовими елементами, які надають можливість дротовій перешкоді ковзати по них до моменту перетирання на 2/3 її перетину, на верхній частині кабіни вертольота встановлюється радіальний вентиляторний привід, який в свою чергу, складається з чотирьох окремих вентиляторних секцій, що виготовляються за окремим конструктивним розрахунком з площею та нахилом лопатей, які дозволяють створити достатній обертаючий момент за рахунок тиску повітряних мас та передати його на вісь, візуалізований вигляд однієї з секцій зображений на фіг. 11. 2. Для розкручування радіального вентиляторного приводу, використовується потужність упорядкованих вертикальних повітряних потоків, за типом повітряної вертикальної кільцевої струменевої течії, яка створюється НГ вертольота під час польоту, що не потребує зовнішнього джерела електроживлення, а отже не буде потребуватися внесення відповідних змін і доробок в конфігурацію основної і резервної бортових систем електропостачання, як і змін в проектне рішення та архітектури основного силового корпусу вертольота, яким є фюзеляж; 3. Співвісно, на одній осі з радіальним вентиляторним приводом, жорстко закріплені п'ять дискових сегментних пилок Геллера різного діаметра або як, варіант, можуть бути застосовані інші професійні дискові пилки для складних проблем розрізання сталі або для розрізання високовуглецевої сталі, прототипні зразки та профілі ріжучих кромок яких зображені на фіг. 12 і 13. Нижня напрямна з лезовим елементом, яка встановлена в нижній частині корпусу вертольота, конструктивно виконана без радіального вентиляторного приводу та працює за відомим, наведеним в п. 1, принципом, а отже надає можливість впійманій дротовій перешкоді ковзати по ній до моменту часткового перетирання її перетину та розриву. Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі конструктивно складається з: двох кутових кронштейнів 1 (правого і лівого) для закріплення пристрою на кабіні екіпажу фюзеляжу вертольота 2 за допомогою болтового з'єднання 3 (фіг. 14); встановленої зверху на кабіні екіпажу фюзеляжу вертольота під кутом 45-50° направляючої 4 з лезовими елементами 5, яка своїм зівом направлена в бік за курсом польоту вертольота та вловлює і направляє дротову перешкоду під дискові сегментні пилки 10 пристрою (фіг. 14, 15); посилюючої пластини 6, яка жорстко охоплює з обох боків напрямну 4 з лезовими елементами 5 (фіг. 14, 15, 16) та яка жорстко зміцнена наскрізними клепками 7 (фіг. 16); радіального вентиляторного приводу 9 (фіг. 14), який складається з чотирьох вентиляторних секцій 8 (фіг. 15), які розміщені на одній осі 12 (фіг. 14, 16); співвісно з вентиляторними секціями 8, на одній осі, розміщено п'ять дискових сегментних пилок 10 різного діаметра (фіг. 14, 16). Ріжучі елементи дискових сегментних пилок 10, разом з вентиляторними секціями 8 радіального вентиляторного приводу 9, закріплені з обох боків гайковим з'єднанням 11 на осі 12 (фіг. 14, 16). Прискорений рух вентиляторного приводу на осі 12 забезпечують високошвидкісні радіально-упорні підшипники закритого типу 13 (фіг. 14, 15). Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з повітряними дротовими перешкодами в повітрі працює наступним чином. 3 UA 115855 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При зіткненні вертольота в повітрі з дротовою перешкодою під будь-яким кутом, остання захоплюється зівом 14 напрямної 4 з лезовим елементом 5 і ковзаючи, просувається по ній. В результаті контакту дроту з поверхнею 5, починається процес руйнування дроту методом його перетирання. У першій фазі руйнування дротової перешкоди, відповідно до його руху зі зміщенням в напрямку кабіни екіпажу вертольота, під впливом сили натягу, відбувається тиск на поверхню 5 з передачею моменту на посилюючу пластину 6. Відповідно, внаслідок цього починається процес перетирання дроту, перетин якого від свого попереднього стану, до моменту його подачі до пилок остаточного розрізання, очікувано, зменшиться на 2/3. У другій фазі, коли 1/3 частина дроту, що залишилася, досягне радіального вентиляторного приводу 9 з дисковими сегментними пилками 10, які обертаються, починається, власне, сам процес остаточного руйнування решти перетину дроту методом розпилювання. Таким чином, дротова перешкода, остаточно і назавжди розтинається або в місці її попереднього часткового перетирання або ж поряд. У третій, додатковій, фазі, у випадку, коли перетин дротової перешкоди виявиться більшим розрахункового, остаточне руйнування решти перетину дроту відбувається в кутовому сходженні лезових елементів 5. Динамічний вплив у вигляді удару на корпус вертольота, його бортові системи та на членів екіпажу, в цьому випадку, буде повністю знівельований, тобто запропонований винахід забезпечує наступний технічний результат - гарантоване, повне та остаточне руйнування дротової перешкоди при зіткненні з нею вертольота в польоті. Таким чином, в запропонованому пристрої захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, авторами винаходу вперше запропоновано досить не стандартний підхід до вирішення проблеми на основі нового принципу, а саме, який ґрунтується на методі розрізання дроту, а не на основі відомого методу його перетирання. При цьому повністю усовується такий недолік, як значні фізичні зусилля та подолання сил тертя при переміщенні дроту уздовж країв лезових елементів, що в рази зменшує динамічний вплив на фюзеляж вертольота, його бортові системи та екіпаж. Технічна суть запропонованої заявки на винахід пояснюється кресленнями, на яких: Фіг. 1 - зображено напрямок низхідних повітряних потоків, які виникають від роботи НГ вертольоту. Фіг. 2 - зображено вертикальні кільцеві струменеві течії, які формуються від роботи НГ вертольота морської авіації. Фіг. 3 - зображено графік залежності швидкості повітряного потоку від НГ вертольота та відстані (вверх і вниз) від площини його обертання. Стрілками показані напрямки повітряних потоків і ізотахи можливих значень швидкостей потоку (м/с) на окремих ділянках, а також виділена зона "купола розрядження" (Н) - різкого зниження щільності і тиску повітря над НГ вертольота. Зліва показана приблизна вертикальна шкала віддалення вгору і вниз від площини гвинта (Lm). Фіг. 4-9 - зображені військові вертольоти країн НАТО, які обладнані системами захисту від повітряних дротів WSPS (Wire strike protection system), а саме: вертоліт 172 UH-1HV Resin & РЕ Exterior (Фіг.4); вертоліт Bell OH-58C Kiowa Scout (Фіг.5); вертоліт Helol017 (Фіг.6); вертоліт ОН58С z Feucht Army (Фіг.7); вертоліт OH-58D Kiowa Warrior (Фіг.8) та вертоліт ROCA BellAIDC UH1H Iroquois (Фіг.9), де стрілками показані спеціальні напрямні з лезовими елементами, що встановлені над і під кабіною екіпажу в носовій частині фюзеляжу. Фіг. 10 - зображено візуалізований вигляд вертольота Мі-8, який обладнаний запропонованим пристроєм захисту вертольота при зіткненні з дротами в повітрі (місце розташування пристрою показано стрілкою). Фіг. 11 - зображено візуалізований вигляд секції радіального вентиляторного пристрою. Фіг. 12 - зображено зразок профілю ріжучої кромки професійної дискової пилки для складних проблем розрізання сталі. Фіг. 13 - зображено зразок профілю ріжучої кромки твердосплавних дисків для розрізання високовуглецевої сталі. Зображення в проекційному кресленні пристрою захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, представлені виглядами, які зображені на Фіг. 14-16, що цілком достатньо для повного розуміння конструктиву винаходу, а саме: Фіг. 14 - вигляд спереду (основний вигляд) пристрою захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, як зображення на фронтальній площині проекції; 4 UA 115855 C2 Фіг. 15 - вигляд зверху пристрою захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, як зображення на горизонтальній площині проекції; Фіг. 16 - вигляд збоку (справа) пристрою захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, як зображення на профільній площині проекції. 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 1. Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі, який містить жорстко прикріплену до корпусу передньої верхньої частини фюзеляжу вертольота напрямну з лезовими елементами, яка своїм зівом спрямована під кутом вперед від фюзеляжу вертольота, який відрізняється тим, що містить елемент остаточного розпилювання дротової перешкоди, що має радіальний вентиляторний привод, що складається з окремих вентиляторних секцій, розміщених на одній осі, який встановлений перпендикулярно до напрямної, та має жорстко закріплені на осі співвісно з радіальним вентиляторним приводом дискові сегментні пилки різного діаметра, причому вісь розміщена з можливістю обертання в підшипниках, що встановлені в кронштейнах, закріплених на верхній передній частині фюзеляжу вертольота. 2. Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі за п. 1, який відрізняється тим, що вісь розміщена в високошвидкісних радіально-упорних підшипниках закритого типу, а елемент остаточного розпилювання закріплено двома кутовими кронштейнами з болтовими з'єднаннями на верхній передній частині фюзеляжу вертольота в місці кріплення нижньої частини напрямної з зівом до верхньої передньої частини фюзеляжу вертольота. 3. Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі за п. 2, який відрізняється тим, що радіальний привод з чотирьох окремих секцій з лопатями та дискові сегментні пилки встановлені з можливістю обертання навколо своєї спільної осі під дією упорядкованих вертикальних повітряних потоків за типом повітряної кільцевої струменевої течії, що створюється несучим гвинтом вертольота під час його польоту на малих висотах. 4. Пристрій захисту вертольота при його зіткненні з дротовими перешкодами в повітрі за п. 3, який відрізняється тим, що елемент остаточного розпилювання дротової перешкоди у вигляді радіального вентиляторного приводу зі співвісно закріпленими дисковими сегментними пилками різного діаметра виконаний і встановлений з можливістю приведення в обертання без його під'єднання до зовнішнього джерела електроживлення та без внесення змін в проектне рішення і архітектуру корпусу вертольота, яким є фюзеляж. 5 UA 115855 C2 6 UA 115855 C2 7 UA 115855 C2 8 UA 115855 C2 9 UA 115855 C2 10 UA 115855 C2 11 UA 115855 C2 12 UA 115855 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 13