Сделано в гараже: Самодельные сверхлёгкие вертолёты ХА-2 и ХА-3
Введение
Создание сверхлёгкого вертолёта – задача настолько же сложная, насколько интересная. Подобно попытке построить одному, без команды гоночный автомобиль Формулы-1 у себя в гараже. Подобно команде Формулы-1, собирающей автомобиль буквально по молекуле, энтузиаст вынужден разбираться в десятках дисциплин: аэродинамике, динамике полёта, машиностроении, материалах, силовых установках и электронике. Любая мелочь здесь критична: ошибка в конструкции, ненадёжная система управления или недостаточно мощный двигатель грозят опасностью и аварией.
Главная параллель с проектом Формулы-1 – это стремление выйти за пределы стандартных возможностей и добиться высочайших результатов там, где всё решает миллиметр, грамм и доля секунды. Самодельный вертолёт, созданный своими руками, – не просто техника, а настоящая вершина творчества и доказательство неограниченности человеческих способностей.
Особенно ценны в таком деле поддержка и консультация мастеров своего дела, таких как известный конструктор сверхлёгких вертолётов серии Горняк Николай Иванович Демидов. Огромная благодарность Николаю Ивановичу за ценные советы, консультации и предоставленную методологию, благодаря которым удалось реализовать идеи. Созданные Николаем Ивановичем механизмы и агрегаты сделали возможными многие современные любительские конструкции, став основой для дальнейшего прогресса в сфере любительской авиации.
Книга приглашает познакомиться с увлекательным миром сверхлёгких вертолётов, показать, как рождаются идеи и концепции, какие шаги необходимы для успешной реализации проекта и какие преимущества и риски есть. Откройте для себя захватывающее путешествие в мир самодельной авиации, полный трудностей, побед и невероятных приключений.
1. Сверхлёгкий вертолёт классической схемы ХА-2
2014 год.
Основные характеристики ХА-2.
Тип конструкции: Классический одновинтовой сверхлёгкий вертолёт.
Вес пустого: Около 450 кг.
Несущий винт: Диаметр составляет внушительные 7,5 метров.
Рулевой винт: Небольшой диаметр 1,2 метра.
Силовая установка: Используется двигатель от популярного японского автомобиля Subaru Impreza объемом 1,5 литра, обеспечивающий мощность порядка 105 лошадиных сил.
Особенности конструкции ХА-2
Одной из главных особенностей ХА-2 стала его силовая установка и оригинальный редукторный механизм. Поскольку целью было создание легкого и надежного вертолёта, решено было воспользоваться возможностями современной автомобильной промышленности.
Было найдено элегантное техническое решение: использован стандартный агрегат японской автомобилестроительной фирмы Subaru – двигатель и коробка передач механической трансмиссии от популярной модели Impreza.
Автомобильная коробка передач была приспособлена для роли главного редуктора вертолёта путём поворота на угол 90 градусов и присоединения к специальному переходнику-фланцу. Такая схема обеспечила передачу крутящего момента непосредственно на несущие винты, эффективно распределяя нагрузку и снижая общий вес конструкции.
Использование стандартного агрегата имело несколько преимуществ:
– Высокая доступность запчастей.
– Простота обслуживания и ремонта.
– Проверенная надежность работы узла.
Рис. № 1. Сверхлёгкий вертолёт классической схемы ХА-2.
1.1. Эскизы
Этап эскизирования является отправной точкой любого крупного технического проекта. В случае вертолёта ХА-1 классические эскизы представляли собой графическое отражение концепции будущего аппарата, задолго до реального воплощения.
Необходимость эскизов
Эскизы помогали визуально зафиксировать идеи, определить пропорции и очертания конструкции, провести предварительный анализ функциональных и эстетических свойств. На данном этапе уточнялась геометрия лопастей, форма кабины, распределение масс и другие важные характеристики.
Какие сведения содержатся в эскизах?
Общий вид вертолёта.
Размеры и форма элементов конструкции.
Расположение двигателя и топливных баков.
Ориентировочные контуры кабины и посадочного места пилота.
Эволюция дизайна
Сначала были созданы грубые наброски, дающие общее представление о машине. Впоследствии они трансформировались в более точные изображения, учитывающие законы аэродинамики и инженерные стандарты. Наиболее важными элементами стали:
Обтекаемая форма фюзеляжа.
Рациональный дизайн кабины.
Эффективная система управления.
Образец рисунков
Ниже приведены эскизы вертолёта ХА-2, созданные в процессе начальной стадии проектирования.
Эскизы вертолёта
Эскизы помогли разработчикам сформулировать основные технические требования и заложить фундамент для последующих этапов проектирования. В дальнейшем на основе этих изображений началась работа по подготовке чертежей и смет расходов.
Рис. № 2. Эскизы вертолёта.
Далее мы познакомимся с первыми расчётами и оценочными параметрами вертолёта.
1.2. Развесовка
Рис. № 3. Развесовка вертолёта.
1.3. Автомат перекоса шарнирного типа
Один из ключевых элементов любого вертолёта – это автомат перекоса, управляющий углом атаки лопастей несущего винта и определяющий направление полёта. В нашем проекте использовался автомат перекоса шарнирного типа, изготовленный на основе специального шарового шарнира ШС-60.
Устройство и назначение автоматического перекоса
Шарнирный автомат перекоса предназначен для изменения угла наклона лопастей в полёте, обеспечивая управляемость вертолётом по курсу, тангажу и крену. Принцип его работы основан на передаче управляющих сигналов от рукоятки пилота на оси вращения лопастей через систему тяг и рычагов.
Конструкция подобного автомата проста и надёжна. Основным элементом выступает сферический шарнир, позволяющий вращаться осям лопастей независимо друг от друга. От правильного функционирования автомата перекоса зависят устойчивость, манёвренность и безопасность полёта.
Особенности выбранного шарнира ШС-60
Модель ШС-60 специально разработана для использования в авиации и отличается высокой прочностью, точностью изготовления и устойчивостью к нагрузкам. Материал шарнира подобран таким образом, чтобы выдерживать большие усилия при изменении угла атаки лопастей. Преимущества ШС-60 заключаются в следующем:
– Прочность и долговечность,
– Минимизация люфтов и вибраций,
– Высокое сопротивление износу.
Благодаря качеству используемого материала и особенностям конструкции, шарнир ШС-60 идеально вписался в концепцию простого и эффективного управления.
Рис. № 4. Эскиз автомата перекоса на шарнире.
Рис. № 5. Шаровой шарнира ШС-60
Рис. № 6. Внешний вид автомата перекоса на шарнире.
Рис. № 7. Установка автомата перекоса.
Процесс изготовления и монтажа
Автомат перекоса изготавливался поэтапно:
Сначала выполнялся чертёж и подготовка шаблона.
Далее производилась обработка шарнира ШС-60 на станочном оборудовании, формирование отверстий и пазов под установку рычагов и тяг.
После обработки элементы собирались и подвергались проверке качества стыков и соединений.
Завершающим этапом становилась финальная настройка механизма, проверка плавности хода и устранение возможных дефектов.
В результате проделанных работ автомат перекоса оказался эффективным решением, обеспечивающим необходимую стабильность и управление нашим вертолётом.
Двигаемся далее к следующему важному узлу – ручке циклического шага.
1.4. Ручка циклического шага
Ручка циклического шага – важный элемент управления вертолётом, предназначенный для регулирования угла наклона плоскости вращения несущего винта. Её правильная конструкция и удобное расположение гарантируют высокую степень контроля и устойчивости машины в воздухе.
Выбор материала и форма рукояти
Материал для изготовления ручки циклического шага выбран прочный и легкий – алюминиевый сплав Д-16Т. Этот сплав отлично подходит для авиационного применения, обладая хорошими показателями прочности и низкой плотностью.
Форма ручки также продумана с учётом удобства и эргономичности. Основное тело выполнено из двух профильных труб, сваренных вместе, что придает изделию дополнительную жесткость и облегчает обработку поверхности.
.
Рис. № 8. Эскиз ручки циклического шага.
Рис. № 9. Конструктивное исполнение ручки циклического шага.
Процесс изготовления
Последовательность изготовления выглядела следующим образом:
– Выполнение чертежа и оформление эскиза будущей конструкции.
– Заготовка необходимого количества труб из алюминия Д-16Т нужного диаметра и длины.
– Резка заготовок и последующая шлифовка кромок для исключения острых граней и заусенцев.
– Соединение труб посредством сварки с использованием специальных электродов для алюминия.
– Полировка поверхностей и нанесение защитного покрытия против коррозии.
– Финальная отделка и контроль соответствия размерам и параметрам чертежа.
Разработанный экземпляр получился надежным, удобным и функциональным. Применение качественного материала и продуманная конструкция обеспечивают эффективное взаимодействие пилота с механизмом управления, повышая общую безопасность и удобство эксплуатации вертолёта.
Переходим к следующей важной составляющей конструкции – раме вертолёта
1.5. Рама
Рама – основа всей конструкции вертолёта, принимающая на себя нагрузки от двигателей, крыла и других элементов. Правильная структура рамы определяет способность вертолёта выдерживать высокие механические напряжения и оставаться прочным и безопасным на протяжении длительного срока службы.
Материал и конструкция рамы
В данном проекте рамная конструкция выполнена из стальной трубы диаметром 32 мм и толщиной стенок 1,5 мм. Трубы соединялись между собой методом автоматической сварки в среде аргона, что обеспечило качественное и герметичное соединение швов.
Применение стальных труб обусловлено рядом преимуществ:
– Отличная стойкость к механическим повреждениям и усталости металла.
– Возможность длительной эксплуатации без появления трещин и деформации.
– Легкость обработки и сварки.
Рис. № 10. Рама вертолёта.
Методика изготовления
Работа велась последовательно и строго по заранее подготовленному чертежу:
– Проектирование рамы и выполнение предварительных расчётов нагрузок.
– Подготовка исходных материалов: нарезка труб необходимой длины и формы.
– Сваривание отдельных частей рамы в единое целое, используя аргонно-дуговую сварку.
– Контроль качества швов и очистка металлических поверхностей от окалин и загрязнений.
Получившаяся рама отличалась прочностью, долговечностью и удобством эксплуатации. Она выдерживала значительные статические и динамические нагрузки, что гарантировало длительный срок службы вертолёта и высокую степень надежности в полевых условиях.
Переходя к следующему компоненту, обсудим рулевую систему вертолёта – ключевой компонент, обеспечивающий курсовую устойчивость и управляемость в полёте.
1.6. Рулевой винт
Материал и конструкция
Рулевые лопасти выполнены из деревянных реек размером 12×12 мм, расположенных вдоль линии стреловидности. Древесину выбрали потому, что она сочетает легкость, гибкость и достаточную прочность, позволяя сохранить нужные аэродинамические свойства и минимизировать вес конструкции.
Лопасти были собраны из нескольких слоёв клееных реек, которые затем обрабатывались по необходимому аэродинамическому профилю. После формирования профиля поверхность покрывалась слоем углеволокна, придающего дополнительную жёсткость и улучшающего общие эксплуатационные характеристики конструкции.
Рис. № 11. Комель лопасти
Рис. № 12. Сборка лопасти
Рис. № 13. Лопасти рулевого винта в сборе.
Последовательность изготовления
Работы проводились поэтапно:
– Подготовка деревянных реек заданного сечения и требуемой длины.
– Склейка слоев реек между собой с последующим прессованием и сушкой для обеспечения монолитности структуры.
– Механическая обработка полученных заготовок по профилю крыльев с применением специального инструмента.
– Нанесение слоя углеволокна поверх деревянной основы для придания нужной жесткости и защиты от влаги и механических повреждений.
– Монтаж готовых лопастей на вал рулевого винта с последующей регулировкой баланса и точной настройки взаимного расположения.
Использование комбинированных материалов позволило снизить вес конструкции, сохранив нужную прочность и долговечность, что положительно сказалось на общей производительности вертолёта.
Далее перейдем к рассмотрению основного элемента несущего винта – лопастей несущего винта.
1.7. Лопасти несущего винта
Исходные материалы и конструкция
В проекте использовали готовый набор лопастей правого вращения от вертолёта Ка-26. Эти лопасти обрезаны до оптимальной длины в 3,5 метра, что уменьшало их площадь и повышало удельную нагрузку на единицу площади.
Для усиления конструкции на концах каждой лопасти устанавливались дополнительные металлические пластины толщиной 4 мм из рессорной стали. Пластины имели специальные крепежные отверстия («уши») для фиксации болтами к несущему кронштейну втулки рулевого винта Ми-2. Чтобы предотвратить повреждение структуры и увеличить адгезию соединения, места контакта фиксировались с помощью эпоксидной смолы.
Такая конструкция обеспечивала необходимое усиление концов лопастей, предотвращая изгиб и деформацию под воздействием ветровых потоков и центростремительного ускорения.
Особенности изготовления
Основные этапы работы:
– Определение необходимой длины лопастей и аккуратная резка по заданным отметкам.
– Подготовка стальных накладок и отверстий под крепление болтами.
– Предварительная фиксация накладок на концах лопастей с предварительным нанесением эпоксидной смолы.
– Запрессовка накладок и полная полимеризация состава.
– Финишная обработка и тестирование готовности лопастей к монтажу.
Рис. № 14. Лопасти несущего винта.