Каким образом осуществляется полет
Идея создания летательного аппарата, который будет подниматься в небо за счет вращения винтов, была выдвинута Леонардо да Винчи еще в 1475 г. Неоднократно лучшие умы пытались воплотить эту задумку в жизнь, в том числе и в России. Например, в 1754 году Ломоносов провел экспериментальные работы по определению подъемной силы. Однако без мощного двигателя аппараты не могли подняться в небо. В лучшем случае они задерживались в воздухе на несколько минут и то, без какого-либо груза. Первая «вертушка» появилась только после 1911 г., когда Юрьев изобрел автомат перекоса.
Подъем современного аппарата происходит благодаря раскручиванию лопастных элементов несущего винта. Его поперечные сечения напоминают крылья самолета. Если поменять их угол уклона в один момент, подъемная сила (далее по тексту ПС) будет изменена. Поворот выполняется похожим способом. Только каждая лопасть наклоняется отдельно во время вращения. При необходимости двигаться вперед-назад, влево-вправо несущий винт поворачивают в том направлении, в котором нужно сделать маневр.
В хвостовой зоне может находиться дополнительный ротор. Он имеет небольшие размеры и выполняет вспомогательную функцию. Необходим, чтобы при вращении компенсировать действие основного винта (ОВ). Без него аппарат бы закручивался по вертикальной оси. Таким образом, данная деталь в хвостовой части позволяет летательной машине уверенно держаться в воздушном пространстве.
Также «вертушки» умеют зависать в небе. Это возможно за счет того, что их вес равнозначен ПС главного ротора. Для обеспечения стабильности летчик фиксирует нужный угол лопастных элементов. В этом помогает специализированное устройство, которое называется кольцом автомата перекоса. Оно крепится на ОВ. В зависимости от того, как оно будет установлено, «вертушка» сможет кружить или висеть в небе. Если его наклонить, то удастся изменить и уровень наклона винтового диска.
Схемы расположения роторов
Рассмотрим, как расположены винты, на которых основывается принцип движения вертолета при полете. Существует несколько вариантов:
-
Классическая схема. Она подразумевает один рулевой ротор.
-
Соосный тип. Несущие винты находятся один над вторым. При этом осуществляют вращение в разные стороны. В данном случае в рулевом роторе нет необходимости. Маневрирование по нужному курсу осуществляется благодаря различию в числе оборотов лопастей.
-
Двухроторная схема. Несущие винты расположены в поперечном и продольном направлении.
Каждый из перечисленных вариантов используется в современных моделях. Имеет свои достоинства и недостатки.
Двигатель и система управления
Существует несколько разновидностей моторов:
-
поршневой;
-
газотурбинный;
-
турбовальный.
К приборам контроля принадлежат следующие устройства:
-
Рукоять управления. Благодаря ей происходит пилотирование по угловому направлению и поворот.
-
Рычаг контроля шага и оборотов ОР. Отвечает за высоту и скорость.
-
Педали. Необходимы для контроля курса, кручения вокруг своей оси.
-
Триммеры. Благодаря им осуществляется тонкая настройка.
Органы управления располагаются на приборной панели.
Принцип полета вертолета
ПС, необходимую для движения летательного аппарата, обеспечивает именно основной винт. Его лопасти изготавливаются из легкого, но при этом высокопрочного материала, профиля, который используется в самолетных крыльях. Управление ими происходит автоматом перекоса (АП). Он, в свою очередь, регулируется рычагами.
В «вертушках», сконструированных по классическому образцу, вспомогательный ротор расположен в вертикальном направлении на конце хвоста. Он компенсирует реактивный момент главного винта и поворотов вокруг оси. Регулирование рулевым винтовым механизмом происходит при помощи АП, который напрямую связан с педалями.
Автомат перекоса
Был изобретен в 1911 г. отечественным конструктором Б. Н. Юрьевым. Именно благодаря его изобретению появились винтокрылые летательные аппараты. Данный механизм обеспечивает движение передом, задом, боком, а также заставляет «вертушку» осуществлять поворот вокруг своей вертикальной оси. Чтобы понять, как работает вертолет, нужно разобраться с принципом работы АП.
Лавирование в угловом направлении и вращение происходит при изменении угла наклона главного винта. Он же меняется при увеличении ракурса атаки лопасти в конкретном секторе ее движения.
Бывает трех видов (в зависимости от количества движущихся элементов):
-
трехлопастный (монтируется с парой колец);
-
четырехлопастный (более распространенный вариант);
-
переходный (отличается наличием широких тарелок в нижней части);
-
коленчатый;
-
оснащенный крыльчаткой.
Автомат перекоса (АП) — это именно тот механизм, который управляет ОР. То есть он изменяет угол установки винтовых элементов.
Контролирование курса и компенсирование
Кручение вокруг оси осуществляется при помощи педалей, которые связаны с АП. Когда шаг данного винта увеличивается, машина вращается в одну сторону. Когда уменьшается — в другую.
Двигатель приводит в движение вал ОР. При этом летательное судно будет вращаться в другую сторону. Как говорилось ранее, компенсирует это вспомогательный ротор, расположенный в хвостовой части. Интенсивность движения его лопастей напрямую связана со скоростью работы ОР.
При возрастании числа оборотов и шага главного винта увеличивается крутящий момент. Но так как они и сами становятся больше, гасится нарастающее реактивное явление.
Несущий ротор
Это основной винт с вертикальной осью вращения. Именно он обеспечивает подъемную силу винтокрылой машине. Позволяет совершать горизонтальный полет и осуществлять посадку. Основная функция — «нести» вертушку. Отсюда и название.
Состоит из лопастей, втулки и шарниров. Первый элемент в сечении похож на самолетную деталь. Отличительной особенностью ОР является то, что он способен быстро менять общий и/или циклический шаг.
Вспомогательный винт
У большинства аппаратов как гражданского, так и военного назначения, имеется дополнительный ротор на хвостовой части. Он предназначается для выполнения двух важных задач:
-
Играет роль компенсирующего элемента. Как говорилось ранее, без него бы корпус закручивался в обратном направлении движению лопастей главного ротора.
-
Выполняет функции руля. Если нужно развернуться, хвостовой винт либо набирает скорость, либо сбрасывает ее.
Однако есть и модели «вертушек» без вспомогательного ротора. Например, отечественный КА-50. Зато данный летательный аппарат имеет сразу 2 основных винта, которые стабилизируют его при помощи кручения в разные стороны. При изменении скорости их вращения по отдельности выполняются функции руля.
Втулка
Это один из основных элементов несущего ротора. Выполняет сразу несколько задач:
-
крепление лопастей под нужным углом;
-
передача крутящего момента от вала к вращающимся винтовым элементам;
-
восприятие и отправка на корпус аэродинамических сил, возникающих на роторе.
Втулки бывают шарнирного, упругого и жесткого типа.
Пилотирование
Принцип взлета вертолета и его маневрирования в воздухе:
-
Набор высоты. Авиатор прекращает увеличивать общий тангаж всех лопастей в тот момента, как только подъемная сила превзойдет силу тяжести.
-
Зависание в небе. Летчик, удерживая угол наклона ротора, делает так, чтобы ПС и сила тяжести стали равнозначными.
-
Задний ход. Для этого диск клонится к хвосту.
-
Поворот. Основной ротор поворачивается направо или налево.
-
Изменение курса. Устанавливается нижний угол уклона вспомогательного винта.
-
Как и за счет чего вертолет летит вперед. Летчик дергает рычаг управления на себя. Винтовой диск склоняется к носовой части.
Таким образом, перед пилотом при полете открываются большие возможности. Поэтому «вертушки» востребованы не только в гражданской авиации, но и для доставки грузов и медикаментов, тушения пожаров, военных операций и во многих других сферах.
Фигуры высшего пилотажа
Благодаря маневренности, винтокрылые машины часто используются для выполнения сложных элементов в воздухе:
-
пикирование;
-
боевой разворот;
-
мертвая петля;
-
штопор;
-
кобра;
-
колокол;
-
чакра Фролова и другие.
Также отдельно хочется выделить сложный прием при маневрировании группы воздушных судов — истребителя Су-30СМ и винтокрылого Ми-28Н. Во время элемента летательные аппараты в течение нескольких минут держат в небе стройный порядок.
Многим может показаться, что тут трудного? Однако это одна из сложнейших фигур группового высшего пилотажа.
При ее выполнении летательные аппараты движутся со скоростью 220 км/ч. При этом им нужно выдерживать строй. При управлении самолетом у опытного пилота, как правило, не возникает сложностей с выполнением данного маневра. У истребителей все части недвижимые, поэтому они могут лететь очень близко. А вот для «вертушек» все сложнее. Для них это полет на минимальных дистанциях с движущимися лопастями.
Воздушная дозаправка
Многие задаются вопросом, а зачем вообще нужна выше описанная фигура высшего пилотажа? Для чего истребителю двигаться на одном уровне с винтокрылыми летательными аппаратами? Это позволяет не только оттачивать мастерство пилотов, но и отработать навыки дозаправки в небе.
От летчиков «вертушки» требуется удержание скорости, которая соответствует самолету-заправщику. Также важно держать минимальную дистанцию. Это требует большого профессионализма, стоит совершить одно неверное движение, и лопасти пробьют топливный бак.
Такая заправка крайне сложна. «Вертушка» догоняет истребитель. При этом у самолета имеется длинная штанга. Топливный шланг заканчивается специализированным зонтом, в который винтокрылая машина должна попасть. Это сложная задача. Этому учатся достаточно долго. Не каждый летчик способен с ней справиться.
Благодаря чему осуществляется движение вперед
Как и за счет чего взлетает вертолет, принцип подъема понятен — воздушный поток давит на винтовые лопасти, которые крутятся до 350 об./мин. Теперь разберем подробнее, как он движется в прямом направлении.
За горизонтальный полет отвечает механизм управления несущим винтом. Он изменяет угол наклона вращающихся элементов ротора и распределяет ПС. Если тяга выше в носовой области, то «вертушка» движется вперед. Когда она смещается в хвостовую часть — аппарат летит назад.
Из чего делают лопасти
Изначально они изготавливались из дерева. Позже начали использовать более надежные и современные композиционные материалы. Различные по физическим характеристикам составляющие размещаются слоями и пропитываются особой смолой. В итоге возникает новая уникальная материя с высокими эксплуатационными свойствами. Лопасти, изготовленные из композиционных материалов, отличаются прочностью и продолжительным сроком службы. Они превосходят по характеристикам металлические конструктивные элементы.
Для производства винтовых деталей используются:
-
спиралеобразная намотка;
-
выкладка.
В первом случае осуществляется наматывание на специализированном оборудовании предварительно заготовленных лент из разнообразных наполнителей. Это может быть стеклянные, гибридные и другие виды материалов.
Почему «вертушка» не в состоянии подняться выше облаков
Лопасти, выполнены из композиционных материалов. Им не страшны даже сверхточные попадания из огнестрельного оружия. За счет относительно небольшой массы они увеличивают ПС примерно на 1/3. Поэтому «вертушка» может подниматься выше. Однако, как заставить винтокрылую машину парить над облаками, инженеры-конструкторы пока не придумали.
Дело в том, что на большой высоте воздух сильно разрежен. Ротору просто не от чего там отталкиваться. Кроме того, корпус машины не обладает герметичностью, поэтому пилотам над облаками придется тяжело: из-за разряженного воздуха они не смогут дышать.
Покорение облаков
Однако на «вертушке» все-таки поднимались на большую высоту. Это произошло в 2011-м, когда летательный аппарат МИ-26 выполнял спасательную операцию по эвакуации военного МИ-8 с горного отвеса. Этот отечественный тяжелый многоцелевой агрегат имеет 8 лопастей. Окружность основного винта составляет 32 м. Управление им осуществлял В. Хорев. Ему удалось подняться на 5000 м над уровнем моря.
Так как «вертушка» имела значительный вес, пришлось убрать заднюю створку для уменьшения массы. Также из МИ-26 убрали все то, без чего можно бы было обойтись: одно из тяговых устройств, некоторые крепежные элементы и т. д. Однако этого было недостаточно. Даже на предельных оборотах мотора летательный аппарат с трудом преодолевал сопротивление. Был риск, что при ветровом порыве лопасти заденут скалистую поверхность. Пришлось облегчить вес еще больше. Для этого выжгли практически все горючее.
Хотя в последние несколько минут полета уже горели аварийные лампочки, сигнализирующие о том, что топливная смесь кончается, спасательная операция прошла успешно. Груз в виде МИ-8 удалось протащить и доставить на базу в целостности и сохранности.
Возможности «вертушек»
Винтокрылые машины являются оптимальными аппаратами для проведения военных и спасательных действий. Они могут не только взлетать с места (не требуется наличие взлетной полосы), но и осуществлять движение в различных направлениях, зависать над земной или водной поверхностью.
Нельзя не отметить еще одно очень полезное свойство. Если даже у «вертушки» откажут сразу оба двигателя, на ней в любом случае будет возможно опуститься и сесть не разбившись. Это называется режим авторотации. Поступающий снизу воздушный поток приводит в движение винтовые лопасти. Благодаря этому, когда происходит разгон при снижении, пилот в состоянии раскрутить ротор очень сильно, чтобы в последующем, входя в горизонтальный полет, выполнить аккуратную посадку.
Катапультирование
Боевые летательные машины оснащены катапультой. К примеру, модель КА-52. Автоматика при помощи пиротехнических устройств менее чем за секунду отстрелит лопасти и заставит среагировать катапультную систему в случае аварийной ситуации.
Конечно, не все стали пилотами винтокрылого летательного аппарата, не каждый даже летал на нем в качестве пассажира. Но вот маленькую уменьшенную версию может позволить себе любой. Кстати, вертолет для детей летает, как и настоящая модель. Поэтому, если вам интересно посмотреть принцип работы вживую, сделайте это на игрушечной копии. Также можете попробовать себя в качестве пилота на специальных симуляторах. Изначально они были разработаны для тренировки летчиков, но позже стали доступны и для гражданских лиц.