Строение винта вертолета. Как устроен вертолёт

Для того чтобы самолет или планер летал, нужна подъемная сила, а эта сила создается крылом. Поэтому главным в самолете является крыло, ибо в конечном счете Весь самолет может быть сведен в летающее крыло, без фюзеляжа, без оперения.

У вертолета роль крыла играет несущий винт. Даже если в летательном аппарате ничего больше нет, кроме несущего винта, мы можем принципиально назвать его «вертолетом».

Наверное, многие в детстве делали себе такой «вертолет», состоящий только ив одного винта, вырезанного из куска жести. Стартовым устройством для него служила обыкновенная катушка от ниток, вращающаяся на стержне.

Однако роль несущего винта вертолета гораздо более многогранна, чем роль крыла самолета.

Созданием подъемной силы еще не ограничивается назначение несущего винта.

Когда вы посмотрите на вертолет в горизонтальном полете, вы неизбежно обратите внимание на то, что фюзеляж носом наклонен к горизонту. При этом наклоненным вперед оказывается и несущий винт.

Полная аэродинамическая сила R, развиваемая несущим винтом и направленная перпендикулярно к плоскости вращения концов лопастей, в этом случае может быть разложена на две составляющие: направленную вертикально подъемную силу, которая поддерживает вертолет на заданной высоте, и силу, направленную по касательной к траектории полета, Р, которая на вертолете является силой тяги. За счет этой силы вертолет летит вперед. Таким образом, несущий винт в поступательном полете одновременно является и тянущим винтом.

Однако и этим не ограничивается роль несущего винта. У вертолета в отличие от самолета нет рулевых поверхностей, таких, как элероны, триммеры, рули направления и высоты. Да они и не имели бы смысла, так как во время полета не обдувались бы потоком воздуха и в силу этого не могли бы служить целям управления.

Ведь мы знаем, что для изменения положения тела, к нему нужно приложить внешнюю силу. В полете вертолет окружен воздухом, поэтому внешняя сила может быть только результатом взаимодействия каких-либо частей вертолета с воздушной средой. Для того чтобы возникла сила сопротивления воздуха, тело должно перемещаться с большей скоростью. Когда вертолет висит в воздухе, то этому условию не отвечает ни одна его часть, кроме винта. Поэтому роль органа управления вертолетом также возложена на несущий винт. Действуя ручкой управления, летчик с помощью особых устройств, о которых будет рассказано в следующих главах, добивается такого положения, которое равносильно изменению плоскости вращения несущего винта. При этом изменяет свое направление и полная аэродинамическая сила воздушного винта и обе ее составляющие. И если подъемная сила всегда направлена вертикально вверх, то вторая составляющая - по касательной к траектории полета.

В зависимости от угла наклона полной аэродинамической силы меняется не только направление, но и величины ее составляющих. Следовательно, управляя несущим винтом, летчик может изменять не только направление полета, но и скорость полета.

Для подъема или спуска вертолета летчик также воздействует на лопасти несущего винта, уменьшая или увеличивая одновременно и на одинаковую величину угол установки всех лопастей.

Если на вертолете отказывает двигатель, то, уменьшая углы атаки лопастей, летчик ставит несущий винт в положение самовращения (авторотации). Поддерживаемый подъемной силой, создаваемой винтом на этом режиме работы, вертолет совершает безопасный планирующий спуск.

Из сказанного выше ясно, что для понимания устройства и полета вертолета надо разобраться прежде всего в работе несущего винта; для того чтобы вертолет успешно мог летать, конструктор должен обеспечить надежность прежде всего несущего винта.

Летчики, инженеры, техники и механики, летающие на вертолетах и обслуживающие их, прежде всего должны следить за безукоризненным состоянием несущего винта.

Итак, несущий винт - вот что главное в вертолете

Режимов работы несущего винта вертолета чрезвычайно много. Каждому режиму полета вертолета соответствует свой режим работы несущего винта. Основными для вертолета являются: пропеллерный режим, режим косой обдувки, режим самовращения (авгоротация) и режим вихревого -сольца.

Пропеллерный режим возникает при вертикальном подъеме или висении вертолета.

Режим косой обдувки возникает при поступательном полете вертолета.

Режим самовращения возникает при отключении двигателя вертолета от несущего винта в полете, при этом винт вращается под действием потока воздуха.

Режим вихревого кольца возникает при снижении вертолета. При таком режиме поток воздуха, проходя сквозь ометаемую винтом поверхность сверху вниз, вновь подходит к винту сверху.

Однако в некоторых частных случаях, например, в пропеллерном режиме, его работа схожа с работой самолетного винта. Когда самолет находится на земле или летит горизонтально, его винт обдувается со стороны плоскости вращения (по оси). Когда вертолет находится на земле, висит в воздухе или поднимается вертикально вверх, его несущий винт также обдувается со стороны плоскости вращения (по оси). Различие при этом состоит только В ТОМ, что у самолета струи воздуха проходят через плоскость вращения винта в горизонтальном направлении, спереди назад, тогда как у вертолета - в вертикальном направлении, сверху вниз. При этом несущий винт захватывает воздух из зоны А сверху и отбрасывает его, закручивая, вниз, в зону. На место частиц воздуха, забранных из зоны А, поступают частицы воздуха из окружающей среды и частично из зоны Б, но уже вне плоскости вращения винта.

До того, как несущий винт был приведен во вращение, воздух над винтом н под ним находился в состоянии покоя С началом вращения винта приборы, внесенные с область действия винта, но находящуюся вдали от него, покажут наблюдателю, что в сечении 0-0 воздух по-прежнему находится в состоянии относительного покоя. Его давление равно атмосферному, а скорость. Расстояние от сечения 0-0, где еще не наблюдается влияния винта, до плоскости вращения винта есть величина переменная, которая зависит от вязкости среды и точности применяемых нами приборов. Чем точнее прибор, тем он дальше от винта зарегистрирует наличие скорости воздуха, частички которого будут устремлены к винту.

Если бы воздух был лишен сил вязкости, то действие винта сказалось бы бесконечно далеко.

Фактически ввиду того, что воздух представляет собой вязкую среду, влияние винта перестает ощущаться уже на расстоянии десятков метров.

Перенося наши приборы из сечения 0-0 все ближе к сечению, мы заметим постепенный прирост скорости воздуха, подсасываемого винтом. Та скорость, которую воздух имеет, подходя к сечению, называется индуктивной скоростью подсасывания. На основании закона сохранения энергии кинетическая энергия (энергия скорости движения) не может увеличиться без того, чтобы не уменьшался другой какой-либо вид энергии. И действительно, наряду с ростом скорости воздуха до ш, мы замечаем, что давление воздуха р0 при этом падает. Это значит, что увеличение скорости воздуха произошло за счет уменьшения давления. За винтом сечение потока сжимается и происходит еще большее увеличение скорости воздуха. Казалось бы, должно было последовать дальнейшее падение давления. Однако сразу за винтом давление растет до р-2. Не противоречит ли это закону сохранения энергии? Да, противоречит, если мы не примем во внимание того обстоятельства, что воздух извне (от винта) получил добавочную энергию (механическую). Механическая энергия винта, преобразуюсь в кинетическую и потенциальную энергию потока, увеличивает и скорость и давление воздуха одновременно.

В сечении сразу за винтом прибор нам показывает, что воздух по сравнению с сечением имеет скорость и», называемую скоростью отбрасывания. Причем скорость отбрасывания оказывается вдвое больше скорости подсасывания.

Далеко за винтом, в сечении (теоретически на бесконечном удалении), скорость и давление воздуха восстанавливаются до первоначальных значений. Энергия потока при этом из-за наличия сил вязкости рассеивается в пространстве.

Таково действие винта на воздух, которое является следствием приложения к винту энергии вращения. Этому действию соответствует ответное действие воздуха на винт, которое проявляется в виде силы тяги, являющейся проекцией полной аэродинамической силы R на ось, проходящую через втулку винта перпендикулярно плоскости его вращения. Если динамометр, соединенный с винтом, при остановленном винте показывал нулевое значение тяги, то по мере роста оборотов тяга будет все больше и больше возрастать. На режиме висения и вертикального подъема на всех других режимах полета

Величину тяги, создаваемой винтом, можно не только замерить, но и подсчитать.

20.06.2015

Принцип полета самолета и вертолета

Всякое тело, движущееся в воздухе, непрерывно испытывает со стороны последнего противодействие своему движению. Поэтому, чтобы продвинуть тело, нужно преодолеть сопротивление, приложить некоторую силу. Сила сопротивления воздуха, которую встречает движущееся в нем тело, прямо пропорциональна плотности воздуха, площади тела, квадрату скорости движения и зависит от формы тела, его гладкости и положения в воздушном потоке.
На основании этого основного закона аэродинамики можно установить, что если телам различной формы и размеров, помещенным в различную среду, придать одну и ту же силу, то скорость продвижения их будет различной.
Если в поток воздуха поместить тела различной формы - пластинку, тело с угловатыми формами и каплевидное тело, то окажется, что чем больше разница давлений спереди и сзади их, тем больше область завихрения, меньше скорость продвижения тел в воздухе и больше сила сопротивления. Эта сила, направленная прямо против движения тел, называется силой лобового сопротивления, или лобовым сопротивлением.
При обтекании тела с угловатыми формами поток тормозится меньше, чем при обтекании пластинки, следовательно, меньшими будут и область пониженного давления, и лобовое сопротивление (рис. 1).

Если же в поток воздуха поместить каплевидное тело, имеющее более совершенную аэродинамическую форму, то давление впереди и сзади этого тела будет незначительным, так как струйки воздуха плотно обтекают его и почти не образуют завихрений. При наличии таких тел для преодоления лобового сопротивления потребуется наименьшая сила. Из сказанного становится понятным, что в авиации решающее значение имеют обтекаемые формы тел, создающие возможно малое сопротивление и не вызывающие завихрений. К таким телам прежде
всего относятся каплевидные и крылообразные тела. Крылья в самолете являются его основными частями. Они создают подъемную силу и делают возможным полет.
Рассмотрим в общих чертах причины возникновения подъемной силы (рис. 2). Пусть крыло движется в воздухе под некоторым углом атаки. Частицы воздуха, ударяясь о летящее крыло, будут огибать как верхнюю, выпуклую, так и нижнюю, плоскую или слегка вогнутую, поверхность крыла. В одно и то же время струйкам, обтекающим крыло сверху, приходится пройти больший путь, чем струйкам, обтекающим крыло снизу. Значит верхние струйки будут двигаться с большей скоростью, чем нижние.

Из закона Бернулли следует, что чем больше скорость потока, тем меньше в нем давление. Поэтому над крылом создается меньшее давление, чем под крылом. В результате разности давлений крыло, с одной стороны, как бы подсасывается вверх за счет пониженного давления, а с другой - подпирается тоже вверх за счет повышенного давления. Вследствие этого и возникает подъемная сила, действующая снизу вверх и направленная перпендикулярно потоку воздуха. На этом свойстве крыла и основан полет самолета и вертолета как аппаратов тяжелее воздуха.
Подъемная сила у самолета появляется только в том случае, если он движется с достаточной скоростью. Чтобы самолет мог оторваться от земли, подъемная сила его крыла должна быть больше веса самолета.
Для того чтобы самолет мог двигаться в воздухе с определенной скоростью, он должен все время преодолевать сопротивление воздуха, а при разбеге во время взлета еще и трение колес о землю. Силой, преодолевающей сопротивление воздуха и придающей поступательную скорость самолету, является сила тяги воздушного винта, вращаемого мотором.

Устройство самолета

К числу основных частей самолета относятся крылья, корпус, органы устойчивости и управления, органы для передвижения и посадки, винтомоторная группа (рис. 3).
Крылья являются одной из наиболее важных частей самолета. От формы в плане и в поперечном сечении, а также от размеров крыльев зависят лётные качества самолета.
Самолет типа моноплан имеет одно крыло, а типа биплан - два крыла. Верхние и нижние крылья связаны между собой стойками. К верхним и нижним крыльям подвешены на шарнирах элероны. В плане крыло самолета с элероном чаще всего имеет прямоугольную форму с эллиптическим закруглением концов.

Корпус самолета (фюзеляж) является основной частью конструкции, с которой соединяются центроплан, крылья, моторная установка, шасси и хвостовое оперение. Кроме того, он служит для размещения полезной нагрузки самолета (пассажиров, грузов и т. п.).
Органы устойчивости и управления самолетом состоят из элеронов и хвостового оперения.
Элероны являются частью крыла и представляют собой подвижные небольшие крылышки, расположенные по концам крыльев самолета. Элероны служат для сохранения самолетом поперечной устойчивости и для наклона его при поворотах вокруг продольной оси.
Хвост самолета состоит из горизонтального и вертикального оперений. При их помощи самолет сохраняет в воздухе продольную устойчивость, поднимается вверх, снижается и изменяет направление полета.
Горизонтальное оперение состоит из стабилизатора - неподвижной части, обеспечивающей самолету продольную устойчивость в полете (в вертикальном направлении), и подвижной части - рулей высоты. Они являются органами управления самолетом в вертикальной плоскости и служат для перевода его на подъем или снижение.
Вертикальное оперение состоит из киля, неподвижно соединенного с хвостовой частью фюзеляжа и служащего для придания устойчивости самолету в полете (в горизонтальном направлении), подвижной части - руля направления, являющегося органом путевой устойчивости и управляемости. При его помощи можно изменить направление полета самолета вправо и влево, т. е. в горизонтальной плоскости.
Органы для передвижения и посадки - это шасси с хвостовым или передним колесом. Шасси самолета является взлетно-посадочным приспособлением, необходимым для разбега при взлете, смягчения удара при посадке и улучшения управляемости при рулении на земле. В зимних условиях для предохранения от зарывания в снег устанавливается хвостовая лыжа (лыжонок).
Посадка самолета происходит на три точки, например на два передних колеса и одно хвостовое.
Управление самолетом осуществляется при помощи рулей высоты, руля направления и элеронов, Основным требованием, предъявляемым к самолету в полете, является устойчивость и управляемость относительно трех осей (рис. 4), проходящих через центр тяжести самолета - продольной оси ХХ1, поперечной оси УУ1 и вертикальной оси ZZ1, перпендикулярной этим осям. Управляемость самолетом вокруг продольной оси достигается элеронами, поперечной оси - рулями высоты, вертикальной оси - рулем направления. Для управления самолетом служат штурвал и ножные педали. Штурвал соединяется с рулями высоты и элеронами, а ножные педали - с рулем направления и хвостовым колесом. При отклонении штурвала влево поднимаются элероны левых крыльев и опускаются элероны правых крыльев; при этом самолет получает левый крен. При взятии штурвала на себя поднимаются рули высоты и самолет идет на подъем. При подаче штурвала от себя самолет пойдет на снижение.

Управление рулем направления осуществляется путем нажатия ногой педали. Например, при нажатии правой ногой руль повернется направо и самолет развернется вправо.
Винтомоторная группа состоит из мотора, воздушного винта, моторной рамы, системы бензо- и маслопитания и управления мотором. Воздушный винт самолета имеет несколько лопастей правого вращения (по часовой стрелке).

Применяемые самолеты и требования к ним

К самолетам, применяемым для аэрофотосъемки лесов и в лесном хозяйстве, предъявляются различные требования.
В лесном хозяйстве для охраны лесов от пожаров, их тушения, аэротаксации лесов, авиахимической борьбы с вредными насекомыми и других работ наибольшее применение получили самолеты ЯК-12 и АН-2. Самолет ПО-2 снят с производства.
Самолет ЯК-12 - моноплан, с закрытой, но хорошо остекленной кабиной, вмещает четырех человек, включая летчика. Удобен для аэровизуальных наблюдений, имеет хороший обзор и небольшую скорость полета - 90-150 км/ч. Крупно- и среднемасштабная аэрофотосъемка с него возможна только для лесохозяйственных целей при условии невысоких требований в отношении строгого соблюдения высоты полета и угла наклона аэроснимков.
Самолет АН-2 широко используется для авиационной охраны лесов от пожаров, их тушения, авиахимической борьбы с вредными насекомыми, транспорта людей и грузов, а также для аэрофотосъемки. В кабине его свободно размещаются два аэрофотоаппарата, специальное к ним оборудование, в том числе радиовысотомер, статоскоп, и другие приборы, и экипаж до б человек. Это позволяет одновременно производить аэровизуальные наблюдения над лесными массивами. При хорошей устойчивости в воздухе, крейсерской скорости 130-210 км/ч пригоден для средне- и крупномасштабной аэрофотосъемки. Обзор у него для аэровизуальных наблюдений хуже, чем у ЯК-12.
Самолеты ЛИ-2 и ИЛ-12 оборудованы наиболее совершенными пилотажными и аэронавигационными приборами, обладают большой грузоподъемностью и скоростью полета (230-400 км/ч), практической высотой полета до 5000 м, что позволяет применять их для мелко- и среднемасштабной аэрофотосъемки.
К числу специфических требований к аэрофотосъемочным самолетам следует отнести:
1. Необходимость иметь достаточные размеры кабины, позволяющие разместить аэрофотоаппараты и все оборудование к ним (радиовысотомеры, статоскопы и контрольные приборы) и создавать возможность управления ими в полете и устранения мелких неисправностей.
2. Возможность хорошего обзора для аэросъемщика вперед, в стороны и вниз.
3. Способность быстро набирать высоту до 6000 м, обладать крейсерской скоростью до 350 км/ч, иметь запас горючего на 6-8 ч полета.
4. На заданном режиме горизонтального полета самолет должен обладать хорошей продольной, поперечной и путевой устойчивостью, чтобы обеспечить требования, предъявляемые к геометрическому качеству фотографического изображения местности.
Для авиационного обслуживания лесного хозяйства необходимо иметь самолеты как легкого типа, удобные для аэровизуальных наблюдений, с большим диапазоном скорости - от 80 до 200 км/ч, позволяющие производить полеты на низкой высоте, так и тяжелые самолеты с грузоподъемностью в несколько тонн, способные перевозить грузы, рабочих, парашютистов, разные механизмы и вместе с тем пригодные для посадки и взлета с небольших площадей.

Устройство вертолета

Вертолет - летательный аппарат тяжелее воздуха. Иностранное название его - «геликоптер», происходящее от греческих слов hélicos (винт) и pteron (крыло), т. е. винтокрылый. Русское название «вертолет» указывает на основную особенность этого летательного аппарата - «вертикальный полет».
Вертолет способен взлетать вертикально, прямо с места, садиться также вертикально, без пробега. В воздухе он может двигаться в любом направлении, может неподвижно висеть как над пологом леса, так и на высоте нескольких сот метров. Вертолет может производить посадку на поляну среди леса, на сухое безлесное болото и т. д. Взлетные и посадочные скорости, длина разбега и пробега равны нулю, поэтому вертолет не нуждается в специальных аэродромах, он является представителем безаэродромной авиации. Вертолет имеет большой диапазон скоростей - от 0 до 150-200 км/ч. Благодаря этим свойствам он является незаменимым средством связи, транспорта, для выполнения различных заданий при исследовании малодоступных мест в необжитых условиях Севера и Сибири.
К основным частям вертолета относятся; несущий винт, корпус, двигатель, трансмиссия, система управления вертолетом, рулевой (хвостовой) винт и шасси (рис. 5).

Несущий винт у вертолета играет роль крыла. Он приводится во вращение двигателем и служит для создания подъемной силы и тяги. Кроме того, несущий винт является органом управления вертолетом. На вертолетах применяются несущие винты с тремя-четырьмя длинными и узкими (диаметром 15-20 л и более) лопастями. Лопасти несущего винта могут поворачиваться относительно своей оси в осевом шарнире.
Управление движением вертолета по вертикали осуществляется путем изменения оборотов несущего винта или угла установки лопастей. При увеличении скорости вращения винта или угла установки лопастей подъемная сила возрастает и вертолет поднимается. Если обороты винта падают или уменьшается угол установки, то убывает подъемная сила и вертолет снижается. Когда подъемная сила полностью уравновешивается полетным весом вертолета, то он «висит» в воздухе, не снижаясь и не поднимаясь. Как только подъемная сила превысит вес вертолета, он поднимается. Вращаясь, несущий винт стремится повернуть вертолет в сторону, противоположную вращению винта, т. е. создается реактивный момент. Для уравновешивания его используется рулевой винт, который при вращении создает тягу и уравновешивает кручение.
Корпус вертолета выполняет те же функции, что и у самолета. Он связывает все части в одно целое. В нем размещаются двигатель, система управления, специальное оборудование, механизм трансмиссии, кабина для пилота и груза.
Силовая установка и трансмиссия. На современных вертолетах применяются обычные поршневые двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, авиационные газовые турбины и турбореактивные двигатели.
Для того чтобы передать мощность двигателя на несущий и хвостовой винты, применяют специальный механизм, называемый трансмиссией.
Управление, например одновинтовым вертолетом, состоит из трех систем; управления несущим винтом, управления рулевым винтом и управления газом двигателя.
Управление несущим винтом осуществляется ручкой управления обычного самолетного типа при помощи автомата-перекоса и рычагом «шаг-газ». Управление рулевым винтом осуществляется обычными педалями ножного управления. Управление двигателем выполняется тем же рычагом «шаг-газ», которым управляется и несущий винт.
Рычаг «шаг-газ» называется так потому, что при его перемещении одновременно изменяются шаг винта и мощность (газ) двигателя. Например, при движении рычага «шаг-газ» вниз установочные углы или шаг лопасти несущего винта будут уменьшаться, уменьшится при этом и мощность двигателя. Следовательно, вертолет начнет снижаться.
Хвостовой винт устанавливается только на одновинтовых вертолетах. Он уравновешивает реактивный момент несущего винта и осуществляет путевое управление, т. е. используется для выполнения поворота.
Шасси служит для погашения возможных ударов, толчков при приземлении и опорой при стоянке. Шасси бывает колесное, поплавковое и полозковое.
На легких вертолетах обычно бывает три колеса, а на тяжелых - четыре.

Классификация вертолетов

Вертолеты различаются по количеству несущих винтов, их расположению, способу привода вращения. В соответствии с этими признаками вертолеты бывают одновинтовыми с рулевым винтом, с двумя несущими винтами, расположенными соосно, с двумя продольно расположенными винтами, с двумя поперечно расположенными несущими винтами, с реактивным приводом несущего винта и др. (рис. 6).
Наиболее распространенными являются одновинтовые вертолеты с рулевым винтом конструкции М.Л, Миля (МИ-1, МИ-4, МИ-6, В-2, В-8 и др.). Они просты по конструкции и в управлении. Недостатками их являются длинный хвост (большие габариты) и значительная потеря мощности (до 10%) на работу рулевого винта.

У вертолетов соосной конструкции оба винта находятся на одной оси, один под другим. Вал верхнего винта проходит внутри полого вала нижнего винта. За счет вращения несущих винтов в противоположных направлениях погашается реактивный момент. Эти вертолеты имеют небольшие размеры, малый вес, хорошую управляемость и маневренность,
К недостаткам соосных вертолетов относятся потеря мощности нижним несущим винтом, работающим в струе воздуха, отброшенного верхним винтом, и трудность расчета при конструировании.
По этой схеме создаются легкие вертолеты Н.И. Камовым: одноместные КА-10, двухместные КА-15 и четырехместные КА-18.
У вертолетов с двумя продольно расположенными несущими винтами один винт находится над носовой частью фюзеляжа, а другой - над хвостовой. Винты вращаются в противоположные стороны для взаимного погашения реактивного момента. Недостатком их является то, что задний винт работает в воздушной среде, предварительно возмущенной передним винтом, а это уменьшает коэффициент его полезного действия.
Винты у вертолетов с двумя поперечно расположенными несущими винтами укреплены на специальных балках по бокам фюзеляжа. Вращаясь в противоположных направлениях, они создают хорошую поперечную устойчивость.

В наши дни вертолет является наиболее универсальным летательным аппаратом. Во многих странах он носит название «геликоптер », которое было образовано из двух греческих слов, в переводе означающих «спираль» и «крыло». Вертолет, подолгу зависая на одном месте, может затем полететь в любое направление, даже не совершая разворота. А ещё ему не нужны специальные взлетно-посадочные полосы, ведь он способен взлетать вертикально вверх без «разбега» и совершать вертикальную посадку без «пробега». Благодаря этому вертолеты широко применяются для транспортных перевозок в труднодоступные места, для пожарных, санитарных и спасательных работ.

Основным отличием вертолёта от самолёта является то, что он взлетает без разгона и поднимается ввысь в вертикальном положении. У вертолёта нет крыльев, вместо них имеются большой винт, расположенный на крыше, и маленький винт на хвосте. Главное достоинство вертолёта – манёвренность. Он может подолгу зависать в воздухе и, кроме того, летать задним ходом. Чтобы совершить посадку, вертолёту не требуется аэродром: он может приземлиться на любой ровной площадке, даже высоко в горах.

В начале двадцатого столетия француз П. Корню первый в мире поднялся на вертолёте. Ему удалось взлететь на высоту 150 сантиметров, то есть он висел в своём изобретении где-то на уровне груди взрослого мужчины. Тогда этот полёт продолжался всего 20 секунд. Поль Корню решил, что высота слишком большая, и он сильно рискует, поэтому в последующем взмывал вверх только со страховкой – на привязи.

Главным элементом конструкции, который заставляет вертолёт взлетать, а затем парить в небесах, является его большой винт. Он постоянно загребает лопастями воздух, за счёт чего вертолёт и летит. В тоже время хвостовой винт не даёт корпусу этой летающей птицы поворачиваться в противоположное направление вращения основного винта. Такая конструкция вертолёта была придумана в 1940-х годах русским инженером.

При вращении несущего винта вертолета возникает сила реакции, раскручивающая его в противоположном направлении. В зависимости от способа уравновешивания этой силы бывают одновинтовые и двухвинтовые вертолеты. У одновинтовых вертолетов силу реакции устраняют вспомогательным хвостовым винтом, а у двухвинтовых – за счет того, что винты вращаются в противоположные стороны.

Виды вертолетов .

Главным предназначением ударных вертолётов является поражение наземных целей противника. Это лучшие военные вертолёты, поэтому такие машины ещё называют штурмовыми. Их вооружение состоит из управляемых противотанковых и авиационных ракет, крупнокалиберных пулемётов и малокалиберных орудий.

Ударный вертолёт может в одном бою уничтожить огромное количество техники и живой силы противника. Ударный вертолёт «Еврокоптер тайгер» состоит на вооружении в армиях Франции, Испании, Германии и Австралии.

Одним из самых манёвренных ударных вертолётов в мире считается российский вертолет Ка-50. Он широко известен в мире под прозвищем Черная акула. Этот вертолёт оснащён двумя большими винтами, а хвостовое оперение у него как у самолёта. Вертолет Черная акула выполняет самые сложные фигуры высшего пилотажа и способна зависать в воздухе до 12 часов. Благодаря современной автоматизации Ка-50 управляет только один пилот.

В 1983 году в американском штате Аризона был создан ударный вертолёт АН-64 «Апач». В его вооружение вошли автоматическая скорострельная пушка и 16 управляемых противотанковых ракет. Вертолет «Апач» способен развивать скорость до трехсот км в час и летать на высоте 6 километров. Этот вертолёт превосходно маневрирует как в кромешной тьме, так и во время самых скверных погодных условий. Вертолет Апач, и в наши дни является основным вертолётом армии в США.

Транспортный вертолет может быть использован для перевозки, как пассажиров, так и грузов. Также из разновидностей вертолетов можно выделить специальный спасательный вертолет и легкий двухместный исследовательский вертолет.

.

Несущий винт у вертолета: используется для полета один или несколько (чаще два) несущих винтов. Его лопасти (до 8 штук) действуют как крылья самолета и при вращении создают необходимую подъемную силу. Вначале лопасти изготавливали из металла, а с конца пятидесятых годов прошлого столетия их делают из стеклопластика.

Вспомогательный винт служит для устранения силы реакции, раскручивающей вертолет в противоположном направлении при вращении несущего винта. Иногда вместо винта на хвостовой балке может быть установлено реактивное сопло. Двигатель вертолета приводит во вращение несущие и вспомогательные винты. Обычно это поршневой или реактивный мотор.

В кабине пилотов находится руль управления (штурвал), поворачиваемый пилотом для полета в нужном ему направлении. Руль изменяет наклон лопастей винта, в полете одна часть круга, который описывает винт, будет опущена ниже, чем другая, и вертолет полетит в эту сторону.

Фюзеляж включает в себя кабину пилота, пассажирский или грузовой салон, а также моторный отсек. Шасси – так как вертолету для взлета и посадки «пробежка» не нужна, очень часто колесное шасси заменяют более удобными лыжами.

За последнее время в мире вертолетной техники произошло несколько значимых событий. Американская компания Kaman Aerospace объявила о намерении возобновить производство синхроптеров, Airbus Helicopters пообещала разработать первый гражданский вертолет с электродистанционным управлением, а немецкая e-volo - испытать 18-роторный двухместный мультикоптер. Чтобы не запутаться во всем этом разнообразии, мы решили составить краткий ликбез по основным схемам вертолетной техники.

Впервые идея летательного аппарата с несущим винтом появилась около 400 года нашей эры в Китае, однако дальше создания детской игрушки дело не пошло. Всерьез инженеры взялись за создание вертолета в конце XIX века, а первый вертикальный полет нового типа летательного аппарата состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полета братьев Райт. В 1922 году авиаконструктор Георгий Ботезат испытал вертолет-квадрокоптер, разработанный по заказу Армии США. Это был первый в истории устойчиво управляемый полет техники такого типа. Квадрокоптер Ботезата сумел взлететь на высоту пяти метров и провел в полете несколько минут.

С тех пор вертолетная техника претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня делится на пять типов: автожир, вертолет, винтокрыл, конвертоплан и X-крыло. Все они отличаются конструкцией, способом взлета и полета, управлением несущим винтом. В этом материале мы решили рассказать именно о вертолетах и их основных типах. При этом за основу была взята классификация по компоновке и расположению несущих винтов, а не традиционная - по типу компенсации реактивного момента несущего винта.

Вертолет является винтокрылым летательным аппаратом, у которого подъемная и движущая силы создаются одним или несколькими несущими винтами. Такие винты располагаются параллельно земле, а их лопасти устанавливаются под определенным углом к плоскости вращения, причем угол установки может изменяться в достаточно широких пределах - от нуля до 30 градусов. Установка лопастей на ноль градусов называется холостым ходом винта или флюгированием. В этом случае несущий винт не создает подъемной силы.

Во время вращения лопасти захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению винта. В результате перед винтом создается зона пониженного давления, а за ним - повышенного. В случае вертолета так возникает подъемная сила, которая очень похожа на образование подъемной силы фиксированным крылом самолета. Чем больше угол установки лопастей, тем большую подъемную силу создает несущий винт.

Характеристики несущего винта определяются двумя основными параметрами - диаметром и шагом. Диаметр винта определяет возможности вертолета по взлету и посадке, а также отчасти величину подъемной силы. Шаг винта - это воображаемое расстояние, которое воздушный винт пройдет в несжимаемой среде при определенном угле установки лопастей за один оборот. Последний параметр влияет на подъемную силу и скорость вращения ротора, которую на большей части полета летчики стараются держать неизменной, меняя только угол установки лопастей.

При полете вертолета вперед и вращении несущего винта по часовой стрелке, набегающий поток воздуха сильнее воздействует на лопасти с левой стороны, из-за чего возрастает и их эффективность. В результате левая половина окружности вращения винта создает большую подъемную силу, чем правая, и возникает кренящий момент. Для его компенсации конструкторы придумали - это особая система, которая уменьшает угол установки лопастей слева и увеличивает его справа, выравнивая таким образом подъемную силу по обе стороны винта.

В целом, вертолет имеет несколько преимуществ и несколько недостатков перед самолетом. К преимуществам относится возможность вертикального взлета и посадки на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта. При этом вертолет может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. Вертолеты отличаются и лучшей маневренностью, поскольку могут висеть вертикально, лететь боком или задом-наперед, поворачиваться на месте.

К недостаткам же относятся большее, чем у самолетов, потребление топлива, большая инфракрасная заметность из-за горячего выхлопа двигателя или двигателей, а также повышенная шумность. Кроме того, вертолетом в целом сложнее управлять из-за ряда особенностей. Например, летчикам вертолетов знакомы явления земного резонанса, флаттера, вихревого кольца, эффекта запирания несущего винта. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.

У вертолетной техники любых схем существует режим авторотации. Он относится к аварийным режимам. Это означает, что при отказе, например, двигателя несущий винт или винты при помощи обгонной муфты отсоединяются от трансмиссии и начинают свободно раскручиваться набегающим потоком воздуха, тормозя падение машины с высоты. В режиме авторотации возможна управляемая аварийная посадка вертолета, причем вращающийся несущий винт через редуктор продолжает раскручивать рулевой винт и генератор.

Классическая схема

Из всех типов вертолетных схем сегодня самой распространенной является классическая. При такой схеме машина имеет только один несущий винт, который может приводиться в движение одним, двумя или даже тремя двигателями. К этому типу, например, относятся ударные AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Ми-28Н, транспортно-боевые Ми-24 и Ми-35, транспортные Ми-26, многоцелевые UH-60L Black Hawk и Ми-17, легкие Bell 407 и Robinson R22.

При вращении несущего винта на вертолетах классической схемы возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Для компенсации момента используют рулевое устройство на хвостовой балке. Как правило им является рулевой винт, но это может быть и фенестрон (винт в кольцевом обтекателе) или несколько воздушных сопел на хвостовой балке.

Особенностью классической схемы являются перекрестные связи в каналах управления, обусловленные тем, что рулевой винт и несущий приводятся одним и тем же двигателем, а также наличием автомата перекоса и множества других подсистем, ответственных за управление силовой установкой и роторами. Перекрестная связь означает, что при изменении какого-либо параметра работы воздушного винта, поменяются и все остальные. Например, при увеличении частоты вращения несущего винта возрастет и частота вращения рулевого.

Управление полетом осуществляется наклоном оси вращения несущего винта: вперед - машина полетит вперед, назад - назад, вбок - вбок. При наклоне оси вращения возникнет движущая сила и уменьшается подъемная. По этой причине для сохранения высоты полета летчику необходимо менять и угол установки лопастей. Направление полета задается изменением шага рулевого винта: чем он меньше, тем меньше компенсируется реактивный момент, и вертолет поворачивает в сторону, противоположную вращению несущего винта. И наоборот.

В современных вертолетах в большинстве случаев управление полетом по горизонтали осуществляется при помощи автомата перекоса. Например, для движения вперед летчик при помощи автомата уменьшает угол установки лопастей для передней половины плоскости вращения крыла и увеличивает - для задней. Таким образом сзади подъемная сила увеличивается, а спереди - уменьшается, благодаря чему изменяется наклон винта и появляется движущая сила. Такая схема управления полетом применяется на всех вертолетах почти всех типов, если на них установлен автомат перекоса.

Соосная схема

Второй по распространенности вертолетной схемой является соосная. В ней рулевой винт отсутствует, зато есть два несущих винта - верхний и нижний. Они располагаются на одной оси и вращаются синхронно в противоположных направлениях. Благодаря такому решению винты компенсируют реактивный момент, а сама машина получается несколько более устойчивой по сравнению с классической схемой. Кроме того, у вертолетов соосной схемы практически отсутствуют перекрестные связи в каналах управления.

Наиболее известным производителем вертолетов соосной схемы является российская компания «Камов». Она выпускает корабельные многоцелевые вертолеты Ка-27, ударные Ка-52 и транспортные Ка-226. Все они имеют по два винта, расположенных на одной оси друг под другом. Машины соосной схемы, в отличие от вертолетов классической схемы, способны, например, делать воронку, то есть выполнять облет цели по кругу, оставаясь на одном и том же расстоянии от нее. При этом носовая часть всегда остается развернутой в сторону цели. Управление рысканием осуществляется подтормаживанием одного из несущих винтов.

В целом управлять вертолетами соосной схемы несколько проще, чем обычными, особенно в режиме висения. Но существуют и свои особенности. Например, при выполнении петли в полете может случиться перехлест лопастей нижнего и верхнего несущего винтов. Кроме того, в проектировании и производстве соосная схема более сложна и дорога, чем классическая схема. В частности из-за редуктора, передающего вращение вала двигателя на винты, а также автомата перекоса, синхронно устанавливающего угол лопастей на винтах.

Продольная и поперечная схемы

Третьей по популярности является продольная схема расположения несущих винтов вертолета. В этом случае винты располагаются параллельно земле на разных осях и разнесены друг от друга - один находится над носовой частью вертолета, а другой - над хвостовой. Типичным представителем машин такой схемы является американский тяжелый транспортный вертолет CH-47G Chinook и его модификации. Если винты располагаются на законцовках крыльев вертолета, то такая схема называется поперечной.

Серийных представителей вертолетов поперечной схемы сегодня не существует. В 1960-1970-х годах конструкторское бюро Миля разрабатывало тяжелый грузовой вертолет В-12 (также известен, как Ми-12, хотя этот индекс неверен) поперечной схемы. В августе 1969 года прототип В-12 установил рекорд грузоподъемности среди вертолетов, подняв на высоту 2,2 тысячи метров груз массой 44,2 тонны. Для сравнения самый грузоподъемный в мире вертолет Ми-26 (классическая схема) может поднимать грузы массой до 20 тонн, а американский CH-47F (продольная схема) - массой до 12,7 тонны.

У вертолетов продольной схемы несущие винты вращаются в противоположных направлениях, однако это компенсирует реактивные моменты лишь отчасти, из-за чего в полете летчикам приходится учитывать возникающую боковую силу, уводящую машину с курса. Движение в стороны задается не только наклоном оси вращения несущих винтов, но и разными углами установки лопастей, а управление рысканием производится за счет изменения частоты вращения роторов. Задний винт у вертолетов продольной схемы всегда располагается чуть выше переднего. Это сделано для исключения взаимного влияния от их воздушных потоков.

Кроме того, на определенных скоростях полета вертолетов продольной схемы иногда могут возникать значительные вибрации. Наконец, вертолеты продольной схемы оснащаются сложной трансмиссией. По этой причине такая схема расположения винтов распространена мало. Зато вертолеты продольной схемы меньше других машин подвержены возникновению вихревого кольца. В этом случае во время снижения воздушные потоки, создаваемые винтом, отражаются от земли вверх, затягиваются винтом и снова направляются вниз. При этом подъемная сила несущего винта резко снижается, а изменение частоты вращения ротора или увеличение угла установки лопастей эффекта практически не оказывает.

Синхроптер

Сегодня вертолеты, построенные по схеме синхроптера, можно отнести к самым редким и наиболее интересными с конструктивной точки зрения машинами. Их производством до 2003 года занималась только американская компания Kaman Aerospace. В 2017 году компания планирует возобновить выпуск таких машин под обозначением K-Max. Синхроптеры можно было бы отнести к вертолетам поперечной схемы, поскольку валы двух их винтов расположены по бокам корпуса. Однако оси вращения этих винтов расположены под углом другу к другу, а плоскости вращения - пересекаются.

У синхроптеров, как у вертолетов соосной, продольной и поперечной схем, рулевой винт отсутствует. Несущие же винты вращаются синхронно в противоположные стороны, а их валы связаны друг с другом жесткой механической системой. Это гарантированно предотвращает столкновение лопастей при разных режимах и скоростях полета. Впервые синхроптеры были изобретены немцами во время второй мировой войны, однако серийное производство велось уже в США с 1945 года компанией Kaman.

Направлением полета синхроптера управляют исключительно изменением угла установки лопастей винтов. При этом из-за перекрещивания плоскостей вращения винтов, а значит сложения подъемных сил в местах перекрещивания, возникает момент кабрирования, то есть подъема носовой части. Этот момент компенсируется системой управления. В целом же, считается, что синхроптером проще управлять в режиме висения и на скоростях больше 60 километров в час.

К достоинствам таких вертолетов относится экономия топлива за счет отказа от рулевого винта и возможность более компактного размещения агрегатов. Кроме того, синхроптерам характерна большая часть положительных качеств вертолетов соосной схемы. К недостаткам же относится необычайная сложность механической жесткой связи валов винтов и системы управления автоматами перекоса. В целом это делает вертолет дороже, по сравнению с классической схемой.

Мультикоптер

Разработка мультикоптеров началась практически одновременно с работами над вертолетом. Именно по этой причине первым вертолетом, совершившим управляемый взлет и посадку стал в 1922 году квадрокоптер Ботезата. К мультикоптерам относят машины, как правило имеющие четное количество несущих винтов, причем их должно быть больше двух. В серийных вертолетах сегодня схема мультикоптеров не используется, однако она чрезвычайно популярна у производителей малой беспилотной техники.

Дело в том, что в мультикоптерах используются винты с неизменяемым шагом винта, причем каждый из них приводится в движение своим двигателем. Компенсация реактивного момента производится вращением винтов в разные стороны - половина крутится по часовой стрелке, а другая половина, расположенная по диагонали, - в противоположном направлении. Это позволяет отказаться от автомата перекоса и в целом значительно упростить управление аппаратом.

Для взлета мультикоптера частота вращения всех винтов увеличивается одинаково, для полета в сторону - вращение винтов на одной половине аппарата ускоряется, а на другой - замедляется. Поворот мультикоптера производится замедлением вращения, например, винтов, крутящихся по часовой стрелке или наоборот. Такая простота конструкции и управления и послужила основным толчком к созданию квадрокоптера Ботезата, однако последующее изобретение рулевого винта и автомата перекоса практически затормозило работы над мультикоптерами.

Причиной же, по которой сегодня не существует мультикоптеров, предназначенных для перевозки людей, является безопасность полетов. Дело в том, что в отличие от всех остальных вертолетов, машины с несколькими винтами не могут совершать аварийную посадку в режиме авторотации. При отказе всех двигателей мультикоптер становится неуправляемым. Впрочем, вероятность такого события невысока, однако отсутствие режима авторотации является главным препятствием для прохождении сертификации на безопасность полетов.

Впрочем, в настоящее время немецкая компания e-volo занимается разработкой мультикоптера с 18 роторами. Этот вертолет предназначен для перевозки двух пассажиров. Как ожидается, он совершит первый полет в ближайшие несколько месяцев. По расчетам конструкторов, прототип машины сможет находиться в воздухе не больше получаса, однако этот показатель планируется довести по меньшей мере до 60 минут.

Следует также отметить, что помимо вертолетов с четным количеством винтов существуют и мультикоптерные схемы с тремя и пятью винтами. У них один из двигателей расположен на отклоняемой в стороны платформе. Благодаря этому осуществляется управление направлением полета. Впрочем, в такой схеме становится сложнее гасить реактивный момент, поскольку два винта из трех или три из пяти всегда вращаются в одном направлении. Для нивелирования реактивного момента некоторые из винтов вращаются быстрее, а это создает ненужную боковую силу.

Скоростная схема

Сегодня наиболее перспективной в вертолетной технике считается скоростная схема, позволяющая вертолетам летать на существенно большей скорости, чем могут современные машины. Чаще всего такую схему называют комбинированным вертолетом. Машины этого типа строятся по соосной схеме или с одним винтом, однако имеют небольшое крыло, создающее дополнительную подъемную силу. Кроме того, вертолеты могут быть оснащены толкающим винтом в хвостовой части или двумя тянущими на законцовках крыла.

Ударные вертолеты классической схемы AH-64E способны развивать скорость до 293 километров в час, а соосные Ка-52 - до 315 километров в час. Для сравнения, комбинированный вертолет - демонстратор технологий Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час, а его американский конкурент с толкающим винтом - Sikorksy X2 - до 460 километров в час. Перспективный разведывательный скоростной вертолет S-97 Raider сможет летать на скоростях до 440 километров в час.

Строго говоря, комбинированные вертолеты относятся скорее не к вертолетам, а к другому типу винтокрылых летательных аппаратов - винтокрылам. Дело в том, что движущая сила у таких машин создается не только и не столько несущими винтами, сколько толкающими или тянущими. Кроме того, за создание подъемной силы отвечают и несущие винты, и крыло. А на больших скоростях полета управляемая обгонная муфта отключает несущие винты от трансмиссии и дальнейший полет идет уже в режиме авторотации, при которой несущие винты работают, фактически, как крыло самолета.

В настоящее время разработкой скоростных вертолетов, которые в перспективе смогут развивать скорость свыше 600 километров в час, занимаются несколько стран мира. Помимо Sikorsky и Airbus Helicopters такие работы ведут российские «Камов» и конструкторское бюро Миля (Ка-90/92 и Ми-X1 соответственно), а также американская Piacesky Aircraft. Новые комбинированные вертолеты смогут совместить в себе скорость полета турбовинтовых самолетов и вертикальные взлет и посадку, присущие обычным вертолетам.

Фотография: Official U.S. Navy Page / flickr.com

ВЕРТОЛЁТЫ

Рис. 1. К объяснению принципа полёта вертолёта

Несущий винт (НВ) служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе.
При вращении в горизонтальной плоскости НВ создает тягу (Т), направленную вверх и т.о. выполняет роль создателя подъёмной силы (Y). Когда тяга НВ будет больше веса вертолета (G), вертолет без разбега оторвется от земли и начнет вертикальный набор высоты. При равенстве веса вертолета и тяги НВ вертолет будет неподвижно висеть в воздухе. Для вертикального снижения достаточно тягу НВ сделать несколько меньше веса вертолета. Сила (P) для поступательного движения вертолета обеспечивается наклоном плоскости вращения НВ при помощи системы управления винтом. Наклон плоскости вращения НВ вызывает соответствующий наклон полной аэродинамической силы, при этом ее вертикальная составляющая будет удерживать вертолет в воздухе, а горизонтальная - вызывать поступательное перемещение вертолета в соответствующем направлении.

Рис. 2. Основные части вертолета:

1 – фюзеляж; 2 – авиадвигатели; 3 – несущий винт; 4 – трансмиссия;5 – хвостовой винт;
6 – концевая балка; 7 – стабилизатор; 8 – хвостовая балка; 9 – шасси

Фюзеляж является основной частью конструкции вертолета, служащей для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудо-вания. Он имеет хвостовую и концевую балки для размещения хвостового винта вне зоны вращения НВ, и крыла (на некоторых вертолетах крыло устанавливается с целью увеличения максимальной скорости полета за счет частичной разгрузки – (МИ-24)). Силовая установка (двигатели) является источником механической энергии для приведения во вращение несу-щего и рулевого винтов. Она включает в себя двигатели и системы, обеспечивающие их работу (топливную, масляную, систему охлаждения, систему запуска двигателей и др.).
НВ служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе, и состоит из лопастей
и втулки НВ. Трансмиссия служит для передачи мощности от двигателя к несущему и рулевому винтам. Составными элементами трансмиссии являются валы, редукторы и муфты. Рулевой винт (РВ) (бывает тянущий и толкающий) служит для уравновешивания реактив-ного момента, возникающего при вращении НВ, и для путевого управления вертолетом. Сила тяги РВ создает момент относительно центра тяжести вертолета, уравновешивающий реактивный момент от НВ. Для разворота вертолёта достаточно изменить величину тяги РВ. РВ так же состоит из лопастей и втулки.

Система управления (СиУпр) вертолета состоят из ручного и ножного управления. Они включают командные рычаги (ручку управления, рычаг «шаг-газ» и педали) и системы проводки к НВ и РВ. Управление НВ-ом производится при помощи специального устрой-ства, называемого автоматом перекоса. Управление РВ производится от педалей.

Взлетно-посадочные устройства (ВПУ) служат опорой вертолета при стоянке и обеспе-чивают перемещение вертолета по земле, взлет и посадку. Для смягчения толчков и ударов они снабжены амортизаторами. Взлетно-посадочные устройства могут выполняться в виде колесного шасси, поплавков и лыж.

Рис. 3. Общий вид конструкции вертолёта (на примере боевого вертолёта МИ-24П).