Вертолёт (устаревшее гелико́птер) — винтокрылый летательный аппарат, у которого подъёмная и толкающая (пропульсивная) силы на всех этапах полёта создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от одного или нескольких двигателей.
Одновинтовой вертолёт с рулевыми поверхностями — вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется за счет рулевых поверхностей, отклоняющих воздушный поток от несущего или толкающего хвостового винта.
Авторство слова «вертолёт» (от «вертится» и «летает») принадлежит Н. И. Камову. Самым ранним документом, в котором употребляется «вертолёт», является Протокол заседания Технической Комиссии Центрального СоветаОСОАВИАХИМа под председательством Б. Н. Юрьева, датированный 8 февраля 1929 года. Заседание Комиссии было посвящено рассмотрению проекта автожира КАСКР-1 инженеров Н. И. Камова и Н. К. Скржинского. Новое слово прижилось, как синоним слова «геликоптер», в конце 1940-х годов полностью заменив его. Слово «автожир» осталось в русском языке в своём первоначальном значении.
Не представляется верным утверждение Л. А. Введенской и Н. П. Колесникова, что, «когда изобрели летательный аппарат, которому не нужен разбег перед взлётом, поскольку он способен вертикально подняться и полететь с любой площадки, то для его наименования создали слово вертолёт (вертикально + лететь)», тем более, что КАСКР-1, являющийся автожиром, не мог подниматься вертикально.
Существует версия происхождения слова «вертолёт» от названия компании-производителя вертолётов «Vertol» (название, в свою очередь, произошло от сокращения термина «Vertical Take-off and Landing aircraft» — «воздушное судно вертикального взлёта и посадки»). В 1959 году советская делегация, в состав которой входил и разработчик первых советских серийных вертолётов М. Л. Миль, приобрела в США образцы американских вертолётов Sikorsky S-58 и Vertol V-44. Именно с этого времени слово «вертолёт» в русском языке окончательно вытеснило термин «геликоптер» для обозначения этих аппаратов.
Основные принципы
Аналогично крылу самолета лопасти несущего винта вертолета находятся под углом к плоскости вращения винта, который называется углом установки лопастей. Однако, в отличие от фиксированного самолетного крыла, угол установки лопастей вертолета может меняться в широких пределах (до 30°).
Почти всегда несущий винт вертолёта оснащён автоматом перекоса, который для управления полётом обеспечивает смещение центра давления винта в случае шарнирного соединения лопастей или же наклоняет плоскость вращения винта в случае полужесткого соединения. Автомат перекоса как правило жестко соединяется с осевым шарниром для изменения угла атаки лопастей. В схемах с тремя и более несущими винтами автомат перекоса может отсутствовать.
Лопасти вертолета как правило во всех режимах полета вращаются с фиксированной частотой, увеличение или уменьшение мощности несущего винта зависит от шага винта.
Вращение винту обычно передается от одного или двух двигателей через трансмиссию и приводной вал к несущему винту. При этом возникает реактивный момент, который стремится закрутить вертолет в сторону противоположную от вращения несущего винта. Для противодействия реактивному моменту, а также для путевого управления используется либо рулевое устройство, либо пара синхронизированных винтов, вращающихся в разных направлениях.
В качестве рулевого устройства традиционно используется вертикальный рулевой винт на конце хвостовой балки, реже применяют рулевой винт в кольцевом канале - фенестрон, еще реже систему NOTAR, основанную на эффекте Коанды.
Система NOTAR состоит из полой хвоствой балки, у основания которой находится пропеллер для создания необходимого давления, управляемых щелей вдоль поверхности балки, и поворотного сопла для путевого управления на конце балки. Воздух, выходящий из управляемых щелей, создает разные скорости на поверхности хвостовой балки. По закону Бернулли на той части поверхности, где скорость протекания пограничного воздушного слоя больше - меньше давление воздуха. Из-за разницы давлений воздуха на стороны хвостовой балки возникает необходимая сила, направленная от участка с большим давлением к участку с меньшим давлением. (пример такого вертолёта — MD 500)
Также существуют варианты с расположением рулевого винта на крыле вертолета, при этом винт не только противодействует реактивному моменту и участвует в путевом управлении, но и создает дополнительную тягу, направленную вперед, разгружая тем самым несущий винт во время полета.
При использовании пары синхронизированных, противоположно вращающихся винтов, реактивные моменты взаимно компенсируются, при этом дополнительная мощность от двигателей не требуется. Однако такая схема заметно усложняет конструцию вертолета.
В случае, если винт приводится во вращение реактивными двигателями, закреплёнными на самих лопастях, вращающий момент почти не заметен.
Для разгрузки несущего винта на большой скорости вертолёт может оснащаться достаточно развитым крылом, для увеличения путевой устойчивости может также применяться и оперение.
Когда вертолёт летит вперёд, лопасти, движущиеся вперёд, имеют бо́льшую скорость относительно воздуха, чем движущиеся назад. В результате одна из половин винта создаёт бо́льшую подъёмную силу, чем другая, и возникает дополнительный кренящий момент. При этом половина винта с наступающими лопастями по отношению к набегающему воздушному потоку под действием этого потока стремиться совершить взмах вверх в горизонтальном шарнире. Это при наличии жесткой связи с автоматом перекоса ведет к уменьшению угла атаки и, следовательно к уменьшению подъемной силы. На другой же половине винта лопасти испытывают гораздо меньшее давление воздуха, угол установки лопастей увеличивается, увеличивается и подъемная сила. Этот простой механизм уменьшает влияние кренящего момента. Стоит отметить, что на отступающих лопастях при определенных обстоятельствах может наблюдаться срыв потока, а концевые участки наступающих лопастей могут преодолевать волновой кризис при прохождении звукового барьера.
Кроме того, для улучшения устойчивости во время полета, повышения максимальной скорости и грузоподъемности применяют дополнительные крылья (например, на Ми-6 и частично на Ми-24 — у этого вертолёта роль дополнительных крыльев выполняют пилоны подвесного оружия). За счет дополнительной подъёмной силы на крыльях удается разгрузить несущий винт, снизить общий шаг винта и несколько снизить интенсивность эффекта кренения, однако на режиме висения крылья создают дополнительное сопротивление нисходящему воздушному потоку от несущего винта, тем самым снижая устойчивость.
Несущий винт создаёт вибрацию, угрожающую разрушением конструкции. Поэтому в большинстве случаев применяется активная система гашения возникающих колебаний.
При отказе двигателей вертолет должен иметь возможность безопасно приземлиться на режиме авторотации, т.е. в режиме самовращения несущего винта под действием набегающего потока воздуха. Для этого почти все вертолеты, за исключением реактивных, снабжены муфтой свободного хода, которая в случае необходимости разъединяет трансмиссию с несущим винтом. Посадка в режиме авторотации получается управляемой, но считается аварийным режимом: установившаяся скорость снижения у лёгких вертолётов от 5 м/с, а у тяжёлых до 30 м/с и более, — без резкого «затяжеления» винта перед столкновением с землёй такая посадка мало отличается от падения.
Характеристики вертолета зависят от давления окружающего воздуха, в частности от высоты полета, температуры воздуха, влажности.
[править]Основные части вертолета
Несущий винт предназначен для создания подъемной силы и пропульсивной сил, а также управления полетом. Он состоит из лопастей и втулки, которая передает крутящий момент с вала главного редуктора к лопастям.
Рулевой винт служит для компенсации реактивного крутящего момента несущего винта и путевого управления одновинтового вертолета. Он состоит из лопастей и втулки, закрепленной на валу хвостового редуктора.
Автомат перекоса обеспечивает управление общим и циклическим шагом несущего винта, передавая управляющий сигнал от цепи управления к осевому шарниру втулки несущего винта.
Система управления предназначена для создания сил и моментов, необходимых для движения вертолета по заданной траектории.
Трансмиссия предназначена для передачи мощности от двигателей к несущему и рулевому винтам и вспомогательным агрегатам. Схема трансмиссии определяется схемой вертолета, числом и расположением двигателей. Трансмиссия состоит из главного, промежуточного и хвостового редукторов, валов и их опор, соединительных муфт, тормоза несущего винта.
Фюзеляж служит для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудования, топлива и т.д. К фюзеляжу крепятся шасси, подредукторные рамы, узлы крепления двигателя, оперение и т.д.
Крыло создает дополнительную подъемную силу, разгружая несущий винт, что позволяет увеличить скорость полета. В крыле могут размещаться топливные баки, оборудование, ниши для уборки шасси. У вертолетов поперечной схемы крыло поддерживает несущие винты.
Оперение предназначено для обеспечения устойчивости, управляемости и балансировки вертолета. Оно разделяется на горизонтальное (стабилизатор) и вертикальное (киль).
Взлетно-посадочные устройства служат для стоянки вертолета, передвижения его по земле и гашения кинетической энергии удара при посадке. Они могут быть выполнены в виде колесного шасси, полозкового шасси или поплавков (жестких или надувных). Колесное шасси может быть убираемым в полете.
Силовая установка предназначена для создания мощности, потребляемой на привод несущего и рулевого винтов и вспомогательных агрегатов. Представляет собой комплекс двигателей (поршневых, газотурбинных или электрических числом от 1 до 3 и (редко) более) с системами, обеспечивающими их нормальную устойчивую работу на всех режимах полета.
[править]Управление
Управление по крену и тангажу на большинстве существующих вертолётов осуществляется с помощью циклического изменения угла установки лопастей (шага) несущего винта, называемогоциклическим 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.
Для управления циклическим шагом в кабине вертолёта установлена вертикальная ручка. Её отклонение вперед/назад обеспечивает управление по тангажу, влево/вправо — по крену. Для изменения общего шага несущего ротора (соответственно, подъёмной силы вертолёта) используется отклоняемая вверх ручка «шаг-газ» под левой рукой лётчика. Управление по рысканью осуществляется педалями.
Существенно, что, в отличие от самолётов, в вертолёте применяется не прямое управление мощностью двигателя, а опосредованное. В ходе полёта скорость вращения несущего винта изменяется в относительно узких пределах. Логику работы регулирования мощности можно описать следующим образом. Например, для выполнения взлета летчик увеличивает общий шаг несущего винта. Возросшее сопротивление воздуха уменьшает обороты винта. Автоматика управления двигателем обнаруживает такое падение оборотов и увеличивает подачу топлива, таким образом увеличивая мощность. Такая система устанавливается на всех без исключения вертолётах с газотурбинными двигателями; а также на абсолютном большинстве поршневых вертолётов, за исключением редких моделей 1950-х годов.
Несмотря на наличие такой автоматической системы управления, в ряде случает все же требуется вмешательство летчика (прямое регулирование мощности двигателя). Для этого на ручке общего шага расположен регулятор мощности (т.н. "коррекция"). Регулятор выполнен в виде поворотного кольца, подобного мотоциклетной ручке газа. Диапазон коррекции относительно невелик; коррекция применяется для точной регулировки мощности. По этой причине ручка общего шага зачастую называется "шаг-газ".
На двухдвигательных вертолётах может также устанавливаться система прямого раздельного управления двигателями. Она используется как резервная, на случай различных отказов или аварийных ситуаций.
[править]Преимущества и недостатки
Главным достоинством является способность совершать взлёт и посадку по вертикали — вертолёт может приземлиться (и взлететь) в любом месте, где есть ровная площадка размером в полтора диаметра винта.
Также их манёвренность: вертолёты способны к зависанию в воздухе и даже к полёту «задом наперёд».
Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.
Также их манёвренность: вертолёты способны к зависанию в воздухе и даже к полёту «задом наперёд».
Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.
Основные недостатки присущие всей винтокрылой технике по сравнению с самолётами — это ме́ньшая максимальная скорость полёта и повышенный расход горючего (удельный расход топлива). Как следствие — более высокая стоимость полёта в расчёте на пассажиро-километр или единицу массы перевозимого груза. Также к недостаткам вертолётов можно отнести и сложность в управлении.
У вертолётов с реактивным приводом несущего винта резко усложняется посадка на авторотации (при отключении двигателей большое лобовое сопротивление гондол двигателей быстро тормозит несущий винт), также высокий шум и большая заметность от факелов двигателей.
Как и у самолётов, у вертолётов существуют свои специфические, характерные только для них опасные режимы полёта, аварийные режимы и аэродинамические особенности: например, вихревое кольцо, земной резонанс и т.д. Пилот вертолёта должен иметь твердые знания и практические навыки для предотвращения возможных аварийных ситуаций из-за этих особенностей вертолёта.
[править]Классификация
[править]Схемы вертолётов
См. также: Схемы вертолетов
Классификация вертолётов по способу компенсации реактивного момента несущего винта (схеме вертолёта) является наиболее общеупотребительной .
[править]Одновинтовой вертолёт
Вертолёт, имеющий один несущий винт.
Вертолёт с реактивным приводом несущего винта (реактивный вертолёт) — вертолёт, несущий винт которого приводится во вращение при помощи реактивных двигателей или сопел, установленных на лопастях винта. В данной схеме отсутствует механический привод несущего винта и передаваемый от винта момент незначителен. Для его компенсации и путевого управления на вертолёте устанавливают рулевые поверхности, небольшой рулевой винт или реактивные рулевые сопла.
Сюда же можно отнести экспериментальные вертолеты с маленькими тянущими винтами на каждой лопасти несущего винта и компрессорный привод несущего винта, когда к соплам на лопастях подводится сжатый воздух откомпрессора («холодный цикл») или продукты горения под большим давлением («горячий цикл»).
Одновинтовой вертолёт с рулевым винтом — вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется дополнительным рулевым винтом, установленным на хвостовой балке (оперении). Рулевой винт служит также средством путевого управления вертолётом. Данная схема получила наибольшее распространение — по ней построено абсолютное большинство вертолётов в мире, поэтому она часто называется классической схемой.
Разновидностью данной схемы можно считать использование на вертолёте рулевого винта, заключенного в кольцо — фенестрона.
Вертолёт со струйной системой управления — вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется системой сопел по длине и на конце хвостовой балки. Данная система за рубежом получила название NOTAR.
Одновинтовой вертолёт с винтами-компенсаторами (комбинированный вертолёт) — одновинтовой вертолёт, имеющий два воздушных винта, установленных на поперечных консолях (крыле или ферме). Реактивный момент несущего винта компенсируется разностью тяг воздушных винтов. Данная схема нашла применение при создании винтокрылов.
Одновинтовой вертолёт с рулевыми поверхностями — вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется за счет рулевых поверхностей, отклоняющих воздушный поток от несущего или толкающего хвостового винта.
Комментариев нет:
Отправить комментарий