Вертолет |
Вертолёт, летательный аппарат тяжелее воздуха с вертикальными взлётом и посадкой, подъёмная сила в котором создаётся одним или несколькими несущими винтами. Слово «вертолёт» введено вместо иностранного «геликоптер». Вертолет взлетает вертикально вверх без разбега и совершает вертикальную посадку без пробега, неподвижно «висит» над одним местом, допуская поворот вокруг вертикальной оси в любую сторону, производит полёт в любом направлении со скоростями от нуля до максимальной. При вынужденной остановке двигателей в полёте вертолет может совершить планирующий спуск и посадку, используя самовращение (авторотацию) несущих винтов. Во избежание срыва потока с лопастей и для увеличения скорости полёта некоторые вертолеты имеют небольшое крыло, разгружающее несущие винты.
Основные принципы
Самолёт способен летать благодаря специальной изогнутой форме крыла, которое движется в потоке набегающего воздуха. Подъёмная сила создаётся за счёт того, что путь, проходимый воздухом над крылом, больше пути потока воздуха под крылом, и, соответственно, скорость верхнего потока выше. Согласно закону Бернулли, на крыло начинает действовать сила, направленная в сторону потока с большей скоростью. Вертолёт использует тот же принцип, но роль крыльев у него играют лопасти несущего винта.
Вращение несущего винта создаёт подъёмную силу, но оно же создаёт силу отдачи, стремящуюся закрутить вертолёт в обратном направлении. Чтобы компенсировать вращательный момент, обычно используется дополнительный маленький вертикальный рулевой винт. Если этот винт встроен в хвостовое оперение, то его называют фенестроном.
Другим вариантом является два больших несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях на одной оси. Второй винт называется аэродинамически симметричным соосным несущим винтом. Этот вариант использован, например, в российском Ка-50. Вертолёты такой схемы показывают более высокую тяговооружённость, однако в случае недостаточной продуманности конструкции, могут обладать повышенной вероятностью схлёстывания лопастей винтов при резком боковом манёвре.
Есть ещё вертолёты, которые используют эффект Коанды (прилипание струи жидкости или газа к твёрдой поверхности), чтобы компенсировать вращательный момент без дополнительных винтов.
Максимальная скорость вертолёта ограничена ввиду недопустимости постоянного достижения скорости звука на крайних участках лопастей (общая максимальная скорость на краю лопасти равна диаметру диска вращения ротора, помноженному на обороты в секунду + скорость самого вертолёта) что привело бы к разрушению конструкции.
Когда вертолёт летит вперёд, лопасти, движущиеся вперёд, имеют большую скорость относительно воздуха, чем движущиеся назад. В результате одна из половин винта создаёт большую подъёмную силу, чем другая, и вертолёт поворачивает вбок. Чтобы этого не происходило, используется механизм компенсации, встроенный в автомат перекоса, чтобы угол наклона лопастей в левой и правой половине винта был бы различен.
Кроме того, винт создаёт вибрацию, угрожающую разрушением конструкции. Поэтому в большинстве случаев применяется активная система гашения возникающих колебаний.
Вертолеты любой схемы состоит из планёра, аналогичного самолётному (фюзеляж, шасси, органы управления, электро-, радио- и навигационное оборудование и т.д.), винтовой несущей системы (несущих винтов), двигательной (силовой) установки, трансмиссии (привода). Одновинтовые вертолеты с механическим приводом, кроме того, имеют хвостовой винт и систему управления им.
Подавляющее большинство конструкций несущих винтов вертолеты выполнено с шарнирной подвеской лопастей. Такая подвеска даёт возможность лопастям совершать маховое движение, обеспечивающее балансировку вертолета во всём диапазоне скоростей полёта. В то же время маховое движение лопастей ставит предел увеличению скорости полёта вертолета свыше 350—370 км/ч из-за срыва потока на них. В 1965 появились вертолеты американской фирмы «Локхид» с бесшарнирными полужёсткими винтами, у которых маховое движение концов лопастей осуществляется вследствие упругого изгиба лопастей. В 60-е гг. 20 в. начались разработки конструкций жёстких винтов, у которых практически устранено маховое движение. Такие винты могут быть применены только в двухвинтовой соосной системе, обеспечивающей балансировку и управление вертолета Жёсткие соосные винты, не имея срыва потока, позволят довести скорость полёта до 500—600 км/ч. Основные три типа конструктивного выполнения лопастей — смешанная конструкция со стальным трубчатым лонжероном, цельнометаллическая конструкция с прессованным из алюминиевого сплава лонжероном; цельно-стеклопластиковая лопасть. Аэродинамическая компоновка лопасти зависит от назначения вертолета и определяется условиями взлёта, значением максимальной скорости конца лопасти при максимальной скорости полёта.
Управление несущими винтами состоит из двух систем: циклического управления шагом лопастей и управления общим шагом лопастей. Циклическое управление шагом лопастей выполняется автоматом перекоса, изобретённым Б. Н. Юрьевым в 1911. Автомат перекоса расположен на оси винта двух колец, подвешенных на кардане к неподвижной опоре. Внутреннее кольцо соединено с тягами продольного и поперечного управления; внешнее кольцо — с тягами, управляющими лопастями. Под действием тяг управления внутреннее кольцо автомата перекоса наклоняется, вызывая синусоидальное изменение углов установки лопастей в осевом шарнире и появление горизонтальной составляющей тяги несущего винта, которая вызывает поступательное движение вертолета и наклоняет его в сторону движения. Управление общим шагом лопастей осуществляется одновременным поворотом их в осевом шарнире относительно продольной оси лопасти посредством рычагов и тяг и служит для изменения вертикального режима полёта: при одновременном увеличении угла установки всех лопастей вертолета поднимается; при одновременном уменьшении углов — опускается. Продольное и поперечное управление вертолетом осуществляется через автоматы перекоса; путевое управление — изменением шага лопастей хвостового винта (на одновинтовых вертолетах) или одновременным изменением общего шага лопастей в противоположных направлениях (на соосных вертолетах). При переходе на режим безмоторного планирования (режим самовращения несущих винтов) опусканием рычага общего шага уменьшают угол установки лопастей до 3—5°.
Управление
Управление по крену и тангажу на большинстве существующих вертолётов, осуществляется с помощью циклического изменения угла установки лопастей(шага) несущего винта, называемого циклическим шагом с помощью автомата перекоса. При изменении циклического шага создаётся момент, наклоняющий вертолёт, в результате чего вектор тяги несущего винта отклоняется в заданном направлении. На конвертопланах управление осуществляется по-самолётному. Также возможны иные методы управления по крену и тангажу, но они не применяются на существующих вертолётах.
Управление по рысканью разнится в зависимости от аэродинамической схемы вертолёта и может быть реализовано с помощью рулевого винта (у вертолётов классической схемы), разницы общего шага винтов (у двухвинтовых вертолётов), с помощью реактивного сопла (у вертолётов со струйной системой), а также при горизонтальном движении с помощью вертикального оперения.
Преимущества и недостатки
Главным достоинством вертолётов является их маневренность: вертолёты способны к вертикальному взлёту, вертикальной посадке, зависанию в воздухе и даже к полёту «задом наперёд». Вертолёт может приземлиться (и взлететь) в любом месте, где есть ровная площадка размером в полтора диаметра винта. Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.
К недостаткам вертолётов по сравнению с самолётами можно отнести более низкую скорость, сложность в управлении, высокий расход топлива и, как следствие, высокую стоимость полёта.
Применение
Вертолёты применяются:
в армии (переброска войск, боеприпасов и обеспечения, контроль над операцией, связь, разведка, корректировка артиллерийского огня, поиск и уничтожение наземных и воздушных целей, подводных лодок; высадка десанта, охрана границ);
в полицейских операциях и операциях спецназа;
в спасательных работах;
при тушении пожаров;
в медицине (срочная доставка пострадавшего в больницу);
в коммерческих перевозках (срочная доставка грузов);
для съёмок с воздуха;
для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.
как вид общественного транспорта (проекты - в 1960-е годы в СССР)
Классификация вертолётов
Вертолёты обычно разделяют по аэродинамической схеме, по грузоподъемности, по назначению.
По аэродинамической схеме:
В зависимости от способа уравновешивания реактивного момента несущего винта различают:
Одновинтовые с рулевым винтом. Для компенсации реактивного момента используется рулевой винт, создающий тягу в направлении вращения НВ. По этой схеме построено большинство существующих вертолетов;
Одновинтовые со струйной системой управления. Для компенсации реактивного момента используется система управления погранслоем на хвостовой балке и реактивное сопло на конце. На западе известна как NOTAR, что расшифровывается, как «NO TAil Rotor» или «Без хвостового винта», что звучит не корректно ввиду наличия множества схем, подпадающих под это определение. Пример: MD-500; MD-900 Explorer.
Одновинтовые с реактивным принципом вращения лопастей. Двигатели расположены на лопастях и на вал несущего винта не передается сильных моментов, как в случае расположения двигателей в фюзеляже. Пример: серийных образцов нет.
Двухвинтовые продольной схемы. Компенсация происходит за счет наличия двух одинаковых винтов, вращающихся в противоположные стороны и расположенных впереди и в начале фюзеляжа. Пример: CH-47 Chinook, Як-24.
Двухвинтовые поперечной схемы. Аналогична предыдущей, но винты расположены на крыльях по бокам фюзеляжа. Пример: В-12 (самый крупный из когда-либо взлетавших вертолетов).
Двухвинтовые соосной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счет наличия двух одинаковых винтов вращающихся в противоположные стороны и расположенных на одной оси. Пример: Большинство вертолетов УВЗ им. Камова.
Многовинтовые (вертолетные-платформы). Компенсация происходит за счет наличия равного количества противоположно вращающихся винтов.
Винтокрылы. Эта схема отличается от вышеперечисленных тем, что для создания пропульсивной тяги используется тянущий/толкающий винт или реактивный двигатель. Тут название «винтокрыл» означает, что при горизонтальном полёте винт используется как крыло (не создает пропульсивную силу). Пример: Ка-22.
Конвертопланы. Эта схема переходного летательного аппарата, который взлетает как вертолет с помощью винта, а в горизонтальном полете летит как самолет, используя винты как пропеллеры.
Конвертопланы разделяются на аппараты
с поворотной винтомоторной группой - крыло неподвижно, поворачивается двигатель (если он расположен на крыле) с винтом (Пример: V-22 Osprey);
с поворотным крылом - поворачивается крыло вместе с расположенной на нем винтомоторной группой;
вертикальные - элементы конструкции не поворачиваются, но аппарат стоит «на хвосте» (Heinkel Lerche II, Wespe - не построены по причине поражения Германии во Второй мировой войне).
По грузоподъемности:
лёгкие — регламентируются авиационными правилами АП-27;
средние — регламентируются авиационными правилами АП-29;
тяжёлые
По назначению:
Многоцелевые — большинство вертолетов на данный момент подпадают под эту категорию. Это делается из экономических соображений;
Пассажирские/административные — предназначены для перевозки пассажиров на небольшие расстояния (например аэротакси);
Транспортные — предназначены для перевозки различных грузов на внешней и внутренней подвеске;
Вертолеты-краны — предназначены для монтирования конструкций в недоступных горных районах и высотных зданиях;
Разведывательные - предназначены для проведения различного рода разведовательных операций, как правило являются баражирующими;
Боевые - предназначенные для проведения военных операций, имеют свою классификацию.
Наибольшего развития вертолётостроение достигло в СССР (научно-конструкторские коллективы под руководством М. Л. Миля и Н. И. Камова), в США фирмы «Сикорский», «Боинг», «Белл», «Каман»), Франции («Сюд-авиасьон»), Англии («Уэстленд») и Италии («Агута»). вертолеты широко применяют в народном хозяйстве СССР: на работах по борьбе с с.-х. вредителями и болезнями садов, виноградников и ценных технических культур, а также по подкормке посевов (Ка-15, Ка-26, Ми-1, Ми-2); для транспортных (Ми-4, Ми-6) и пассажирских (Ми-8) перевозок; при проведении геологоразведочных работ (Ка-26); для гравиметрической съёмки (Ка-18); для разведки ледовой обстановки (Ми-1, Ка-15); для патрулирования линий высокого напряжения, газо- и нефтепроводов (Ка-18, Ка-26); для перевозки и монтажа крупногабаритного оборудования, установки мачт и др. монтажных работ (Ми-10); для санитарных и спасательных работ (Ка-18) и т.д.
