Классификация вертолетов

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.

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.

Вращение несущего винта создаёт подъёмную силу, но оно же создаёт вращательный (реактивный) момент, стремящийся закрутить фюзеляж вертолёта в обратном направлении. Чтобы компенсировать реактивный момент, обычно используется дополнительный вертикальный рулевой винт (схема с рулевым винтом). Поскольку ЛА такой схемы появились первыми, такая схема называется классической. Если рулевой винт выполнен в виде вентилятора, встроенного в вертикальное хвостовое оперение, то его называют фенестроном.

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.

Эффект Коанды состоит в том, что струя жидкости или газа «прилипает» к обтекаемой твердой поверхности. На вертолетах такой схемы часть реактивного момента компенсируется за счет взаимодействия струи от несущего винта со струей воздуха, выпускаемой через узкую щель, проходящую по всей длине хвостовой балки, часть — за счет реактивной тяги щелевого сопла, расположенного в конце хвостовой балки.

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.

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.