Заоблачные пируэты: как летает вертолет
Как летает вертолет, какие силы поднимают его в воздух и перемещают без крыльев. Какие части машины считаются основными, что за материалы используют для изготовления. Какую работу выполняют геликоптеры, о предельной высоте, скорости и других возможностях винтокрылой машины расскажем в этой статье.
Длинный хвост, шум винтов, особый профиль, маневренность — все в этих машинах узнаваемо. Вертолет не перепутать с другим воздушным средством. Но что мы о нем знаем? Давайте разбираться.
Что умеет винтокрыл
Вертолёт может доставлять людей и грузы, спасать больных, тушить пожары, пробираться в непроходимые места, работать в зоне боевых действий, и при этом:
- без разбега взлетать и без пробега садиться;
- зависать в воздухе над каким-то местом;
- двигаться в любом направлении, быстро развивая скорость с нуля до максимума;
- вращаться вокруг вертикальной оси;
- обходиться без взлетно-посадочной полосы и аэродрома;
- совершать посадку за счет авто-вращения несущего винта, без участия двигателя.
Принцип взлета вертолета
Вертолет, иначе геликоптер, перемещается за счет подъемной силы, которую создает вращение огромных пропеллеров. У машины может быть один, два или несколько несущих винтов. От конструкции «вертушек» зависит маневренность винтокрылого летательного аппарата.
Кстати, если кто думает, что слово «винтокрылый» литературный штамп, сильно ошибется. Дело в том, что у геликоптера пропеллер, он же винт или ротор состоит из лопастей обтекаемой аэродинамической формы. Это аналог крыла самолета, отсюда и название. При вращении винта лопасти отбрасывают захваченный ими воздух в противоположную сторону. Перед винтом зона давления понижается, а за ним повышается, создавая подъемную силу.
Ротор вертолета приводится в действие одним или несколькими двигателями. Воздушные потоки обтекают лопасти и поддерживают машину на высоте, создавая эффект зависания.
Во время вращения пропеллера корпус вертолета стремится раскрутиться в противоположную сторону, возникает закручивающий реактивный момент. Чтобы компенсировать его действие, на общей оси устанавливают два «соосных» винта, которые вращаются встречно.
С той же целью при одном несущем роторе используют «подруливающий» хвостовой винт. Другой вариант — реактивный привод. В этом случае из реактивных сопел, расположенных на концах лопастей выбрасывается струя газа и создает противонаправленный вращающий момент.
Когда пропеллер вращается параллельно земле, вертолет только висит, или перемещается вверх и вниз. Это «флюгирование», холостой ход. Для поступательного движения машины вперед или назад меняют угол наклона винта в диапазоне от 0° до 30°. Чтобы потоки воздуха перемещались в нужном направлении, требуется определенный угол наклона лопастей по отношению к горизонтальной плоскости, так называемый «угол атаки».
Винты основные и вспомогательные
Несущий винт установлен на фюзеляже сверху. Его назначение — создавать аэродинамические силы, которые перемещают вертолет вверх-вниз, вперед-назад (т.н. «подъемную» и «пропульсивную»). Винт собирается из лопастей, через втулку закрепляется на валу.
Интересно. Винт вертолета называют «ротором» за его вращение. Основной винт вертолета называют несущим потому, что именно он несет машину по воздуху. Возможности винта зависят от характеристик — диаметра и шага.
В одновинтовых вертолетах, чтобы компенсировать реактивный момент устанавливают хвостовой рулевой винт. Он воздействует на центр тяжести машины за счет собственной тяги и выравнивает ее. Изменением тяги рулевого винта выполняется и разворот вертолета.
В двухвинтовых используют другие схемы установки винтов:
- соосные (верхний и нижний винты вращаются в разные стороны);
- продольной схемы;
- поперечной схемы.
Существуют также многовинтовые машины, в которых задействовано до 8 винтов, разнесенных в разных плоскостях.
С одним несущим винтом
Самый распространенный в мире тип вертолетов выполняется с одним несущим винтом. Пилот через рукоятку управления и автомат перекоса может менять положение винта и его лопастей, задавать направление движения летательного аппарата.
Рулевой винт связан с ножным управлением через втулку. С помощью ножных педалей пилот меняет шаг винта и силу тяги, регулирует скорость и направление полета.
С какой скоростью вращаются лопасти
Скорость движения лопастей у разных типов вертолетов своя, зависит от конструкции несущего винта. Например, у вертолета Ми-26Т она равна 132 об/мин, у Ка-32А — 272 об/мин. у Ми-24 — 240 об/мин, у Ми-8 —192 об/мин. Маховое движение лопастей не позволяет значительно увеличивать скорость полета, вызывая срыв потока.
Из какого материала они сделаны
В процессе совершенствования вертолетов их лопасти менялись по форме и составу. Вначале это были деревянные детали, затем стальные (из легированной и нержавеющей стали), позже из сплавов алюминия или титана.
Материал лопастей зависит от их конструкции. Долгое время основными считались 3 разновидности лопастей:
- смешанная, со стальным трубчатым лонжероном (продольным силовым элементом);
- цельнометаллическая (лонжерон из прессованного алюминиевого сплава);
- цельно стеклопластиковая.
Теперь лопасти формуют из композитных составов. Материалы с различными свойствами собирают послойно, пропитывают особой смолой, что делает легкие изделия долговечными, прочными — даже стрелкового оружия они не боятся.
Лопасти вертолета чаще выполняют выпуклой прямоугольной формы из-за более простой технологии изготовления, с соотношением длины/ширины —14 /1 или 15 /1. Чтобы повысить коэффициент полезного действия несущего винта, для лопастей применяют геометрическое закручивание (крутку) и измененную по длине форму профиля.
Зачем и кому нужен прекос
Управление несущими винтами состоит из 2-х частей:
- циклического регулирования шага лопастей;
- регулирования общего шага лопастей.
Для первой части используется изобретение 1911 года (автор Б.Н. Юрьев), так называемый «автомат перекоса» (АП). Устройство размещается на оси винта, представляет собой два кольца, прикрепленных к неподвижной опоре через кардан. Каждое из колец соединено со своей системой управления тягами, что в итоге позволяет менять угол наклона лопастей. Управление АП осуществляется от рукоятки из кабины пилота.
При вращении несущего винта, через автомат перекоса можно воздействовать на угол наклона каждой лопасти и создавать разницу в силе подъема. Винт перестает вращаться в горизонтальной плоскости, переходит в наклонную, при этом сама машина также кренится вслед за винтом. В результате регулируется вертикальный режим полета.
Вертолетные двигатели
Вертолетный двигатель служит для питания агрегатов вспомогательного назначения, рулевого винта и приводов. Двигатели и системы, от которых зависит работоспособность управления геликоптера, объединены в силовую установку.
В нашей стране с 1973 года выпускаются следующие модификации двигателей для вертолетов:
- ТВ3-117;
- ВК-2500.
Газотурбинные двигатели для вертолетов российского производства выходят с предприятия АО «ОДК-Климов». По данным холдинга «Вертолеты России», на российских вертолетах сейчас используются все типы двигателей, разработанные силами этого предприятия:
- ГТД-350 для серии Ми-2;
- ТВ2–117 для аппаратов Ми-8Т;
- ТВ3–117, а также моторы класса ВК-2500 дл машин Ми-8МТВ(АМТ), Ми-171А2, Ми-24 (Ми-35), Ми-28, Ка-52, Ка-27, Ка-32 и их модификаций,
- ТВ7–117В для Ми-38.
Около 300 двигателей в год выпускает предприятие, часть из них рассчитана на работу в арктическом климате.
Хвостовой редуктор вертолета
Название этого узла говорит само за себя. Оно установлено в хвостовой части машины, применяется для регулировки скорости вращения и передачи мощности от двигателей на соосные несущие винты.
Чем управляется вертолет
Управляют машиной три независимых системы — путевая, продольно-поперечная и общего шага винта. Сюда входят механизмы градиента усилий, качалки, тяги, автомат перекоса, гидроусилители, а также командные рычаги:
- установленная в кабине пилота ручка управления циклическим шагом;
- рычаг общего шага;
- ножные педали;
- рычаги управления двигателями.
Сюда же можно отнести жесткую и тяговую (на тросах) проводку управления, а также винты рулевой и несущий, и стабилизаторы.
Высота, которую способен «взять» геликоптер
Расстояние «в небо», на которое способны подниматься вертолеты, ограничено плотностью атмосферы. Причина в воздушной подушке, на нее «опирается» винт вертолета при вращении. Чем выше вверх, тем эта подушка реже, как и воздух, который ее создает.
Интересно. Чтобы все-таки поднять вертолет в разреженном воздухе, можно увеличить скорость вращения винтов, но в таком случае есть риск, что центробежная сила вырвет лопасти и разрушит пропеллер.
Высота полета для вертолетов определяется двумя показателями «потолка».
- Статическим «потолком» (когда работает только несущий винт, поднимая геликоптер вертикально вверх). Для обычных машин это значение равно 2-4 км, военные вертолеты могут подняться немного выше.
- Динамическим «потолком» (добавляется предварительный разгон в горизонтальном направлении, а уже затем происходит набор высоты, в авиации термин «горка»). И здесь обычные вертолеты поднимаются ниже 4-6 км), а военные выше (7-8 км)
Самая большая высота, которую смог покорить винтокрылый летательный аппарат, составила 12,442 м. Произошло это в 1972 году, когда пилот из Франции Жан Буле поднялся намного выше предельных высот на машине Aérospatiale SA.315B Lam. Двигатель перестал работать в самой высокой точке, и только режим авторотации позволил избежать трагедии.
Пилотаж здесь высший
На скорости 220 километров в час ударные вертолеты Ми-28Н с истребителем Су-30СМ совершают совместный полет и держат строй ровной шеренгой в воздухе. Это одна из самых сложных фигур высшего группового пилотажа, и выполняют ее российские летчики, чтобы отработать летные навыки.
Другая похожая задача — дозаправка вертолета топливом в воздухе
Но зачем истребителю лететь со скоростью вертолета? Во время таких тренировок наши летчики оттачивают мастерство пилотирования, а иностранные - отрабатывают навыки выполнения дозаправки в воздухе.
Одно скомканное движение и лопастями вертолета может быть перебит топливный шланг. Поэтому при дозаправке в воздухе пилот должен соблюдать самую малую дистанцию и выдерживать равную скорость с самолетом-заправщиком.
