Моё F3C

Обзорная ситатья об особенностях класса (1-я часть)



В прошлом веке ( ха-ха!) когда я поднял в небо свой первый 60-й двс вертолет, все следующие шаги освоения техники пилотирования были понятны и однозначны – висение, горизонтальный полет, простые пилотажные фигуры, комплекс Ф3Ц. Других спортивных классов просто не было… Прошло не так много времени, и теперь кажется что все поголовно летают только 3Д. Любой новичок, чуть повисев и полетав вокруг себя стремиться «крутнуть» что-нибудь этакое и заявить «я – 3Д пилот!». Наверное, засилье таких «пилотов» и возродило волну интереса к Ф3Ц – классическому, или даже академическому пилотированию, настоящей школе мастерства владения и управления моделью в каждой точке траектории маневра. Не удивляет меня и интерес опытных спортсменов 3Д-шников – ведь в соревнованиях Ф3Ц все пилоты летают единый обязательный комплекс, и субъективность оценки судей (и самооценки пилота!) в Ф3Ц сведена к минимуму.
Я постараюсь немного обобщить собственный опыт в этом классе. Не претендуя на «истину в последней инстанции», надеюсь просто помочь вновь пришедшим в Ф3Ц избежать традиционных ошибок. 

Что такое FAI F3C?
F3C (Ф3Ц) – класс моделей радиоуправляемых вертолетов для соревнований по точному ( precision ) пилотированию. 
В соревнованиях по Ф3Ц модель выполняет стандартный (утвержденный FAI – Международной Федерацией Авиаспорта) комплекс из 10-ти маневров, которые условно можно разделить на статические – маневры висения (такие маневры может выполнить только вертолет), и динамические – маневры в горизонтальном и вертикальном полете (такие маневры в основном корреспондируются с пилотажными маневрами самолетов).
Суть соревнований – точное, прецизионное выполнение всех маневров на разрешенной технике, в заданной последовательности и в заданное время. Все спортсмены выполняют единый, одинаковый комплекс. В первенствах мирового и континентального уровня после полетов стандартного комплекса 15-ть лучших пилотов соревнуются в финале по отдельному финальному комплексу.
Комплекс или комплексы фигур утверждаются ФАИ раз в 4 года. Соревнования чемпионатов мира и континента проводятся чередуясь раз в 2 года каждые.


Модель для Ф3Ц
Каким должен быть вертолет? Правила Ф3Ц четко описывают требования к модели для соревнований:
«…Разрешается фиксированный или регулируемый стабилизатор до 2% площади охваченной несущим ротором (роторами)… 
...Площадь, которую охватывает несущий ротор не может превышать 250 дм2. ..
а) ВЕС: Вес модели (с топливом и батареями) не должен превышать 6,5 кг. 
б) МОТОР: Максимальный рабочий объем поршневого двигателя: 
15 см2 двухтактный, 
20 см2 четырехтактный, 
25 см2 только бензиновый. 
Электрические двигатели ограничиваются максимальным (без нагрузки) напряжением 51 В для питания двигателя. 
в) Гироскопы: … Использование электронных гироскопов ограничивается вращением вокруг оси отклонение от направления движения…
 …Уровень звукового давления не должен превышать 87 dB (A) на мягкой (травяной) поверхности или 89 dB (A) на твердой (асфальт, цемент и т.д.) поверхности…»
В этом описании уже кроется ответ, ведь для стабильного, зрелищного и точного полета модель должна быть большой, мощной но экономичной (10 маневров, 6-10 минут полета!), тяжелой но без перегрузки ротора. А значит, мы должны использовать максимально эффективную силовую установку – 15 см3 нитро-двигатель или 12S электросистему, для таких моторов хороший ротор ок 200-210 дм2 и оптимальный полетный вес 6-6,3 кг.
Обращаю внимание – динамическая часть комплекса представляет из себя во многом «самолетный» полет, и здесь стабилизатор и киль необходимы. Поэтому у нашего Ф3Ц вертолета должен быть настоящий стабилизатор площадью ок 3-4 дм2 и соответственно настоящий киль.
Немаловажен внешний вид модели – ведь она должна быть легко различима и «читаема», а значит красивый аэродинамический фюзеляж подойдет в самый раз. Очень важно, что с таким фюзеляжем уровень шума ДВС значительно ниже допустимого, а ровный, «шелестящий» тембр мотора добавит позитивных впечатлений от полета.
Итак понятно - нам нужен большой (.90 или 700-й) вертолет, желательно в аэродинамическом фюзеляже. Но больших моделей производится немало, на что же обратить внимание?

Головка главного ротора
Наверное она в первую очередь и отличает Ф3Ц вертолеты. Поскольку в этом классе запрещены любые системы электронной стабилизации, то именно механическая система маховых движений лопасти и гироскопического эффекта самостабилизации сервооси с шарнирами Белла-Хиллера обеспечивает стабильный полет и точное управление. Наверное стоит отвлечься на шарнир Белла-Хиллера (Bell-Hiller). Это тот самый рычаг-качалка или рычаг-микшер, ось которого закреплена на рычаге шага цапфы лопасти. Шарнир Белла-Хиллера управляет шагом лопасти под воздействием внешнего управления-движения шайбы перекоса (это Белл), и под воздействием самостабилизирующего движения-качания сервооси (это Хиллер).  Оба движения суммируются рычагом-качалкой и через рычаг шага изменяют положение лопасти.
Зачем нужна сложная система стабилизации модели вертолета? Представим себе летящий вертолет с вращающимся ротором (или, что физически одно и то же, вертолет, зависший на ветру).  Наверное стоит напомнить, что при горизонтальном полете суммарная скорость протока воздуха (скорость полета плюс скорость вращения ротора) на набегающей лопасти будет больше, чем на убегающей. А значит, на набегающей лопасти подъемная сила будет больше, и вертолет должен «уйти на бочку»! Вот здесь и начинают работать наша точная механика головки, которая автоматически воздействует на лопасти циклически (периодически) уменьшая или увеличивая их шаг и восстанавливая - сохраняя положение модели.
Маховое движение лопасти, «дельта» и демпферы
Эта система стабилизации на моделях является важной, но не основной. Хотя заметим, что на больших вертолетах с многолопастными роторами для стабилизации полета достаточно только её. Но у нас размеры поменьше и только две лопасти на роторе.
Наш вертолет летит, и под действием образовавшейся неравной подъемной силы на разных лопастях начинает крениться. Ось лопастей ротора модели не прикреплена жестко главному валу (обычно она установлена на эластичных демпферах, или шарнире с демпферами), и поэтому за счет такого мягкого подвеса и мощного гироскопического эффекта ротора, ротор остается горизонтальным (при этом лопасти циклически-периодически поднимаются то вверх то вниз – это мах, взмахивание лопастей).  И в этот момент начинает свою работу рычаг Белла – тяга, которая связывает лопасть с шайбой перекоса. В классическом случае, шарнир рычага лопасти находится не на перпендикуляре оси симметрии лопастей, а немного смещен к креплению «своей» лопасти – это и есть «положительная дельта» (positive delta). В этом случае, при крене модели и горизонтальном роторе автоматически будет уменьшаться шаг (и подъемная сила!) набегающей лопасти, а убегающей – увеличиваться. Такое изменение будет препятствовать крену и поможет удержать модель в горизонте. Для нашего небольшого ротора этот эффект стабилизации за счет такого махового движения совсем невелик, и в Ф3Ц часто шарнир рычага лопасти находится симметрично на перпендикуляре оси симметрии лопастей, это «нулевая дельта», и маховое движение лопасти не оказывает никакого стабилизирующего воздействия. А вот на некоторых 3Д моделях шарнир ставят впереди оси, что наоборот способствует крену – модель тогда будет очень резкой и неустойчивой. Надеюсь понятно, что говоря о положении шарнира, я имел ввиду, что рычаг шага лопасти расположен со стороны ее передней кромки. Если со стороны задней, то положительная и отрицательная дельты меняются. Посмотрите фото, поставьте перед собой свою модель и покачайте «качели» лопастей (шайба перекоса стоит неподвижно!) – и вы увидите описанные эффекты. Если в Вашей модели есть возможность установки дельты (дополнительные отверстия для крепления шарнира) – начнете с нейтральной, нулевой дельты. И если в процессе полетов не возможно будет добиться полной стабильности – можно будет попробовать и положительную дельту. 
Поскольку межлопастная ось (shpindle, шпиндель) при махах лопастей наклоняется-качается в эластичных демпферах (damper), то конечно чем мягче такой демпфер, тем легче оси качаться и тем соответственно лучше работает самостабилизация. Демпферы, применяемые в Ф3Ц, средние или мягкие по жесткости, в 3Д жесткие или очень жесткие. Обычно оптимальные демпферы ставит производитель, а замена демферов кроме положительных изменений в стабилизации может вызвать и паразитные резонансы – раскачивание модели при слишком мягких демпферах, дрожание и вибрации при слишком жестких.
 

На фото мы видим рычаг шага лопасти с тремя установочными отверстиями для оси рычага-микшера шарнира Белла-Хиллера (сам рычаг-микшер снят):
А1 – отрицательная дельта (обычно для 3Д)
А2 – нулевая дельта (универсальная настройка)
А3 – положительная дельта (для Ф3Ц и для моделей копий)

Сервоось – «флайбар» и передаточное отношение 
Сервоось или флайбар (flybar) – наш главный стабилизатор и … главный возмутитель! Да-да, ведь флайбар имеет две рабочих оси, где поперечная (ось качания) отвечает за самостабилизацию модели, а продольная (ось вращения севолопаток) за выполнение переворотов по крену (aileron, элерон) и тангажу (elevator, элеватор).
Нас интересует функция самостабилизации. Изобретение Белла, флайбар (flybar), самое эффективное механическое стабилизирующее устройство ротора модели вертолета. Да и в большой технике у роторов с малой заполняемостью и полужесткой подвеской обязательно применяется флайбар. Как же он работает? Вернемся к нашему летящему (или зависшему на ветру) вертолету. Вот он кренится под воздействием известных уже нам сил, ротор стремиться сохранить «горизонт», лопасти циклично совершают мах… но небольшой диаметр ротора и несвободная подвеска лопастей ограничивают эффективность маховой стабилизации. Но флайбар, шарнирно закрепленный перпендикулярно лопастям, тоже ведь за счет гироскопического момента сохраняет горизонтальное положение! При этом, поскольку между плоскостью флайбара и плоскостью ротора появляется угол, флайбар через рычаг-микшер (шарнир Бела-Хиллера) начинает воздействовать на рычаг шага лопасти и циклически изменять ее шаг противодействуя крену! Но ведь лопасти и флайбар расположены перпендикулярно, почему же тогда при крене лопасти компенсируют крен а не тангаж? Это одно из особых свойств аэродинамики ротора, оказывается, воздействие флайбара имеет задержку по фазе (фазинг) примерно на 90 градусов, поэтому и расположен он с лопастями под прямым углом. В некоторых моделях это может быть не прямой угол («примерно 90 град»), а например 84-86 град – он точно рассчитан и подобран на тестах. 
Стабилизирующее воздействие флайбара в моделях Ф3Ц регулируется и настраивается двумя путями. Первый – подбор передачи (Bell-Hiller ratio). Установите шаг в ноль а флайбар в горизонт. Наклоните ось флайбара скажем на 20 градусов и померяйте насколько изменился угол лопасти. Если это будет 10 градусов, то коэффициент передачи или просто передача составит 2(лопасти)*А(угол лопасти) / В(угол флайбара) = 2*10/20 = 1. Значит передача равна 1. Теперь переставьте шарик короткой тяги флайбара в другое отверстие рычага-микшера. Пусть у нас выйдет при 20 градусах наклона оси флайбара 8 гадусов на лопасти, или передача 2*8/20=0,8. Мы видим, что в первом случае, наклон оси флайбара вызывал больший угол (больший отклик, реакцию) а значит большее воздействие лопасти для стабилизации положения модели, во втором же случае – меньшее. Таким образом можно просто настраивать эффект работы флайбара. Обычно для Ф3Ц вертолетов коэффициент передачи флайбара 0,9…1,1, для 3Д это 0,5…0,7. Мы можем смело начинать с универсальных 1,0, а затем переставляя шарики на рычаге-микшере (у Ф3Ц вертолетов обычно 3-4 варианта) подобрать необходимую нам устойчивость модели. При настройках надо помнить, что положение шариков определяет и величину общего шага (collective pitch) главных лопастей, и при  некоторых установках уже может «не хватить» общего шага - настраивая передачу не забывайте проверять и шаг главного ротора!
Второй путь настройки – это изменение веса флайбара. Поскольку выдерживать «горизонт» флайбару позволяет гироскопический момент, то понятно – чем тяжелее этот гироскоп и чем выше его обороты – тем он стабильнее держит положение. Для загрузки и регулировки флайбара применяются небольшие грузики (flybar weights), которые надеты на его ось (справа и слева от головки ротора). Их можно двигать по оси флайбара (но только строго симметрично!) и крепить с помощью зажима болтом или цангой. Чем дальше грузики от центра, тем больше центробежная сила и гиро-эффект, тем лучше флайбар удерживает «горизонт» и стабилизирует модель. В большинстве Ф3Ц вертолетов грузики (а их вес тщательно подбирается производителем) находятся примерно посредине каждой половинки оси флайбара.
Настаиваем флайбар так. Для начала сдвинем грузики к ротору и установим-запрограммируем стабильные обороты ротора. Регулировки проводим при ровном ветре 2-4 м/с (это важно!). Взлетев на высоте 2 м, устанавливаем модель носом к ветру и, минимально корректируя, следим за ее поведением. Модель может сносить по ветру, это нормально, а вот движения-снос в бок, движение на ветер мы должны максимально устранить. Для этого сначала переставляем шарики на рычагах-микшерах и находим положение минимального дрейфа модели. Затем начинаем понемногу раздвигать грузики. Если грузики дошли до края флайбара, а вертолет продолжает дрейфовать, можно переставить рычаги-микшеры на рычагах шага – то есть установить положительную дельту. Если вертолет остается неустойчивым, тогда можно увеличить вес грузиков и/или поднять обороты ротора. Возможно придется поменять демпферы шпинделя лопастей на более мягкие чтобы облегчить мах лопасти (но слишком мягкие демпферы могут сделать вертолет склонным к резонансу-раскачиванию). Надо заметить, что у некоторых моделей флайбар работает излишне активно, и дрейф связан с «перекомпенсацией» флайбара – в этом случае передача должна быть уменьшена, а возможно придется даже установить отрицательную дельту.
Процесс таких настроек достаточно долог, но он очень важен! Результатом должно быть стабильное точное висение модели (возможно, с небольшим сносом по ветру) в любом положении – носом, боком, хвостом к ветру. Причем так должно быть во всем рабочем диапазоне оборотов главного ротора!
 
На фото мы видим рычаг-микшер (шарнир Белла-Хиллера) с четырьмя отверстиями для шариков.
В1-С1 – передача 1, средний шаг ротора (Ф3Ц)
В2-С2 – передача 1, небольшой шаг ротора
В1-С2 – передача >1, минимальный шаг ротора
В2-С1 – передача <1, максимальный шаг ротора (3Д)

Серволопатки, пичкомпенсатор – снова передача
Мы теперь знаем, что флайбар работает за счет гироскопического момента. Казалось бы, можно сделать его короче и с грузами на концах (как в больших двухлопастных вертолетах). Но нет – у нас относительно длинная сервоось с небольшими лопастями на концах (серволопатками), да еще и с возможностью продольного поворота – зачем? А затем, что на малых роторах с флайбарной системой стабилизации управление креном и тангажом только за счет циклического изменения шага ротора (cyclic pich, «циклик») очень неэффективно и инертно, и управляться наша модель будет вяло и с большой задержкой. В 1966 году немецкий инженер-авиамоделист Дитмар Шлюттер (Ditmar Schlutter) придумал удлинить сервоось и поставить поворотные лопатки (paddles, серволопатки) по ее концам – это изобретение, без преувеличения, стало основой всех будущих управляемых моделей вертолетов! 
Работает система крайне просто – как только мы поворачиваем лопатки, они сразу создают наклон плоскости сервооси, выводя тем самым ее из равновесного самостабилизированного положения. Этот наклон флайбара немедленно через рычаг-микшер (шарнир Белл-Хиллер) изменяет циклический шаг так, что вертолет совершает переворот по крену (элерону) или тангажу (элеватору) пока вновь не будет достигнута самостабилизация. Если вы продолжаете удерживать лопатки повернутыми (держите ручку крена или тангажа) – модель будет вращаться-кувыркаться. Надеюсь, не надо объяснять, что чем больше площадь-размер серволопаток, их угол наклона, и чем длинее сервоось (плечо приложения их усилия) тем вертолет будет резче и активнее управляться.
Работая общим шагом (collective pitch) мы двигаем шайбу перекоса а вместе с ней и рычаги шага лопасти.  Расстояние между шайбой и ротором меняется, и каким-то образом надо изменять и длину тяг флайбара. Поперечное качание флайбара в этом случае скомпенсировано рычагами-микшерами, а для компенсации его продольных наклонов есть пич-компенсатор (pitch-compensator). Это втулка свободно двигающаяся по валу и являющаяся местом крепления рычагов от шайбы к тягам поворота флайбара. Эти рычаги не симметричны, и имеют повышенную передачу – ведь они управляют небольшими серволопатками, и угол наклона серволопаток должен быть большим, значительно больше чем угол наклона шайбы.
Настройку серволопаток проводят проверяя реакции модели на команды крена и тангажа. Мы можем установить шарики в разные отверстия рычагов пич-компесатора, тем самым изменив угол наклона серволопаток и сделав вертолет резче или спокойнее по реакциям на управление. Если изменения угла не достаточно, тогда меняем лопатки – меньшие для более спокойной реакции, большие – для более резкой. Но не забываем, что разные лопатки имеют разный вес, что будет влиять на работу флайбара.
 

На фото изображен рычаг пич-компенсатора.
D1 – больший угол, резкая реакция
D2 – меньший угол, спокойная реакция

Шайба перекоса 90, 120 или 140/135 ?
Больше двух десятилетий система управления шайбой перекоса модели вертолета была неизменной – на каждую функцию работало отдельное серво, это так называемая система Хели 1 (Н1, Н1-90). То есть серво крена (элерон) наклоняло шайбу вправо-влево, серво тангажа (элеватор) наклоняло ее вперед назад. А вот механизм работы серво общего шага (а это должно быть очень мощное серво!) был несколько сложнее – двигать вверх-вниз шайбу можно было только через систему сложных рычагов (например модели Хиробо), или двигая площадку с установленными на ней сервами крена и тангажа (например ТТ Раптор), или качая коромысла с севами крена и тангажа (модели Роббе – Шлюттер). В целом, в плане кинематики Хели 1 наиболее точная система, но в плане простоты и стоимости она проигрывает.
Вся эта громоздкая система значительно упростилась с появлением программируемых микшеров в аппаратуре и точных серво. Такое радио «смешивает» и одновременно подает на серво команды крена-тангажа-шага, поэтому теперь за каждую функцию управления отвечает 2-3 серво.
Наиболее распространенная система Хели 3 – 120 град (Н3-120, HR3-120) на первый взгляд логична и понятна – все шарики/шарниры шайбы развернуты под одинаковыми углами 120 град. Но если внимательно посмотреть на ее работу, проверить равномерность движения шайбы перекоса и линейность наклона при тангаже, то окажется что шайба движется вверх-вниз покачиваясь, а наклоняясь еще и произвольно меняет общий шаг! Но почему? Посмотрите на модель с боку, и вы увидите что плечи (расстояние от оси вала до плоскости шариков шайбы) приложения усилия на шайбу разные. То есть, примерно, для обеспечения 5 град циклического шага тангажа (элеватор), серво тангажа должно отклониться на 10 град, а два боковых серво на 5 град. Наверное понятно, чтобы обеспечить такую точность микширования, радио должно иметь высокое разрешение, а серво работать как прецизионный механизм. Но при этом, поскольку у серво шайбы одинаковая (практически) скорость работы, то два серво на меньший угол 5 град, конечно же, отклоняться быстрее, чем серво тангажа на больший в 10 град – а значит произойдет непроизвольное движение шайбы и изменение общего шага!
Чтобы как то решить эту проблему, около 2000-го года пилот Кертис Янгблад придумал разместить все шарики на одинаковом плече приложения усилия – так появилась система «140 градусов» (примерный угол «развала» шариков крена и тангажа), или Хели 3 - 140 (Н3-140). Чуть позже фирма Хиробо придала этой системе геометрическую законченность, изменив угол на 135 град, появилась Хели 3 – 135 (Н3-135). Большого различия между «140» и «135» нет (немного отличается отработка по крену), а общее достоинство одно – совместно работающие пары и тройки серво при раздельных командах всегда откланяются на одинаковые углы! 
Так что же выбрать? Динозавры вымерли, и кинематически совершенная но сложная система Н1 тоже вымирает как динозавр, наверное уже почти и не осталось вертолетов с Н1. Выбор Н3-120 оправдан, если вы на 101% уверены в точности, прецизионности своих серво и радио. Выбор же Н3-140/135 по моему мнению будет самым правильным. Многие производители предлагают сразу два варианта сборки модели – под 120 и 140 град, и это очень хороший вариант.
 
   

Схема и шайба перекоса системы Н3 – 120 

     
 
Схема и шайба перекоса системы Н3–140

 
Комплект универсальной Н3-120 и Н3-140 шайбы перекоса

Привод шайбы – почему "Push-Pull"?
Классическая система привода шайбы через рычаг-коромысло (Push-Pull, «тяни-толкай») остается востребованной и в 3Д моделях. А в Ф3Ц это можно даже не обсуждать! Плюсы на лицо:
- жесткий рычаг-коромысло установлен на двух подшипниках и исключает деформации и смещения при работе привода управления
- подбор/изменение длины-плеча рычага привода тяги шайбы перекоса не требует смены качалок серво, а иногда и поиска качалок редкого (большого) размера
- симметричная нагрузка подшипника вала серво фактически вдвое снижает его износ
- простая механическая настройка положения шайбы без применения саб-триммеров
- конструктивное и компоновочное удобство механики вертолета
- зачастую рычаг-коромысло спасает редуктор серво при авариях
Минусы, а именно вес и небольшое усложнение конструкции можно пропустить – так как мы говорим о изначально не легкой и не простой модели. 

Привод хвоста - ремень или вал?
Вот уж что дело вкуса и собственных предпочтений – это ремень или вал на хвост! 
Простая, мягкая в работе ременная передача имеет дополнительные механические потери (что бывает заметно на авторотациях), хотя авторотации на больших моделях вертолетов (с большим, тяжелым ротором - считай маховиком) выполняются достаточно легко и с ременным хвостом.
Сложная, но точная и жесткая карданная передача, конечно же, немного четче в управлении и экономичнее при авторотациях. Но, малейшее касание земли хвостом – и меняем шестеренки! Да и зазор в «коничках» выставить часто оказывается совсем не просто.
Авторотации в Ф3Ц используются постоянно (каждый полет!). И, наверное, пилотам с не очень большим опытом лучше подойдет ремень – как значительно более живучий привод при мелких неудачах.

Так какой же вертолет покупать?
Это уж выбирайте сами, я рассказал только о том, на что стоит обратить внимание. Единственно, я бы не стал увлекаться моделями фирм-новичков в Ф3Ц. Класс Ф3Ц весьма консервативен, и традиции и опыт в проектировании моделей Ф3Ц имеют колоссальное значение. Посмотрите внимательно на технику известных производителей Ф3Ц, посмотрите, на чем летают мировые пилоты (например, HIROBO Eagle и Freya, JR Sylphide и Airskipper, CY Rave ENV…). Ну и конечно оцените свой бюджет и возможности в эксплуатации и ремонте.

Продолжение будет. Попозже....

ДД
Киев, 2011



Создан 14 окт 2011



  Комментарии       
Имя или Email


При указании email на него будут отправляться ответы
Как имя будет использована первая часть email до @
Сам email нигде не отображается!
Зарегистрируйтесь, чтобы писать под своим ником
Locations of visitors to this page META - Украина. Украинская поисковая система
Украинские сайты о моделизме
Предыдущий Украинские сайты о моделизме Следующий