Вертолеты

Файл:Mi-8MTV take-off.ogg

Ми-8 — многоцелевой вертолёт

Ми-10К — вертолёт-кран

четырёхместный вертолёт Robinson-R44

Подобно крылу самолёта, лопасти несущего винта вертолёта находятся под углом к плоскости вращения винта, который называется углом установки лопастей. Однако, в отличие от неподвижного самолётного крыла, угол установки лопастей вертолёта 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 полужёсткого соединения. Автомат перекоса, как правило, жёстко соединяется с осевым шарниром для изменения угла атаки лопастей. В схемах с тремя и более несущими винтами автомат перекоса может отсутствовать.

Лопасти вертолёта, как правило, во всех режимах полёта вращаются с постоянной частотой, увеличение или уменьшение мощности несущего винта зависит от шага винта.

Вращение винту обычно передаётся от одного или двух двигателей через трансмиссию и приводной вал к несущему винту. При этом возникает реактивный момент, который стремится закрутить вертолёт 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 обычно используется вертикальный рулевой винт на конце хвостовой балки, реже применяют рулевой винт в кольцевом канале — фенестрон, ещё реже систему NOTAR, основанную на эффекте Коанды.

Система NOTAR состоит из полой хвостовой балки, у основания которой находится винт для создания необходимого давления, управляемых щелей вдоль поверхности балки и поворотного сопла для путевого управления на конце балки. Воздух, выходящий из управляемых щелей, создаёт 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 вертолёта, при этом винт не только противодействует реактивному моменту и участвует в путевом управлении, но и создаёт дополнительную тягу, направленную вперёд, разгружая тем самым несущий винт во время полёта.

При использовании пары синхронизированных, противоположно вращающихся винтов, реактивные моменты взаимно компенсируются, при этом дополнительная мощность от двигателей не требуется. Однако такая схема заметно усложняет конструкцию вертолёта.

В случае, если винт приводится во вращение реактивными двигателями, закреплёнными на самих лопастях, реактивный момент почти не заметен.

Для разгрузки несущего винта на большой скорости вертолёт может оснащаться достаточно развитым крылом, для увеличения путевой устойчивости может также применяться оперение.

Когда вертолёт летит вперёд, лопасти, движущиеся вперёд, имеют бо́льшую скорость относительно воздуха, чем движущиеся назад. Вследствие этого 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 стремится совершить взмах вверх в горизонтальном шарнире. При наличии жёсткой связи с автоматом перекоса это ведёт к уменьшению угла атаки и, следовательно, к уменьшению подъёмной силы. На другой же половине винта лопасти испытывают гораздо меньшее давление воздуха, угол установки лопастей увеличивается, увеличивается и подъёмная сила. Этот простой способ уменьшает влияние кренящего момента. Стоит отметить, что на отступающих лопастях, при определённых 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 полёта, повышения наибольших скорости и грузоподъёмности применяют дополнительные крылья (например, на Ми-6 и частично на Ми-24 — у этого вертолёта роль дополнительных крыльев выполняют пилоны подвесного оружия). За счёт дополнительной подъёмной силы на крыльях удаётся разгрузить несущий винт, снизить общий шаг винта и несколько снизить силу эффекта кренения, однако в 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 вертолёт должен иметь возможность безопасно приземлиться в режиме авторотации, т.е. в режиме самовращения несущего винта под действием набегающего потока воздуха. Для этого почти все вертолёты, 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 вертолёта зависят от давления окружающего воздуха, в частности от высоты полёта, температуры воздуха, влажности.

Несущий винт предназначен для создания подъёмной и пропульсивной[1] (движущей) сил, а также для управления полётом. Он состоит из лопастей и втулки, которая передаёт крутящий момент с вала главного редуктора к лопастям.

Рулевой винт служит для компенсации реактивного крутящего момента несущего винта и путевого управления одновинтового вертолёта. Он состоит из лопастей и втулки, закреплённой на вале хвостового редуктора. См. также: Фенестрон

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 вертолёта по заданной траектории.

Трансмиссия предназначена для передачи мощности от двигателей к несущему и рулевому винтам и вспомогательным узлам. Схема трансмиссии определяется схемой вертолёта, 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 создаёт дополнительную подъёмную силу, разгружая несущий винт, что позволяет увеличить скорость полёта. В крыле могут размещаться топливные баки, оборудование, ниши для уборки шасси. У вертолётов поперечной схемы крыло поддерживает несущие винты.

Оперение предназначено для обеспечения устойчивости и управляемости вертолёта. Оно разделяется на горизонтальное (стабилизатор) и вертикальное (киль).

Взлётно-посадочные устройства служат для стоянки вертолёта, передвижения его по земле и гашения энергии удара при посадке. Они могут быть выполнены в виде колесного шасси, полозкового шасси или поплавков (жёстких или надувных). Колёсное шасси может быть убираемым в полёте.

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 полёта.

Органы управления вертолёта: ручка циклического шага, ручка общего шага, педали.

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, вследствие чего вектор тяги несущего винта отклоняется в заданном направлении. На конвертопланахуправление осуществляется по-самолётному. Также возможны иные способы 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 осуществлено 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 вперёд/назад обеспечивает управление по тангажу, влево/вправо — по крену. Для изменения общего шага несущего винта (соответственно, подъёмной силы вертолёта) используется отклоняемая вверх ручка «шаг-газ» под левой рукой лётчика. Управление по рысканью осуществляется педалями.

Существенно, что в вертолёте, в отличие от самолётов, применяется не прямое управление мощностью двигателя, а опосредованное. В ходе полёта скорость вращения несущего винта изменяется в относительно узких пределах. Логику работы управления мощностью можно описать следующим образом. Например, для выполнения взлёта 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 подавляющем большинстве поршневых вертолётов, за исключением редких образцов 1950-х годов.

Несмотря на наличие такой автоматической системы управления, в ряде случаев все же требуется вмешательство лётчика (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.