Helicopter rotor

MH-60S Sea Hawk в полете

Хвостовой винт для вертолета MH-60R Sea Hawk

A ротор или роторная система представляет собой комбинацию нескольких поворотных крыльев (лопастей ротора ) и системы управления, которая генерирует аэродинамическую подъемную силу сила, поддерживающая вес вертолета, и тяга, которая противодействует аэродинамическому сопротивлению при прямом полете. Каждый несущий винт установлен на вертикальной мачте над верхней частью вертолета, в отличие от вертолетного хвостового винта, который соединяется посредством комбинации приводного вала (ов) и редукторы вдоль хвостовой балки. Шаг лопастей обычно регулируется наклонной шайбой, подключенной к органам управления вертолетом. Вертолеты являются одним из примеров винтокрылых самолетов (винтокрыл ). Название происходит от греческих слов helix, helik-, что означает спираль; а птерон означает крыло.

Принципы проектирования

Несущий винт вертолета приводится в движение двигателем через трансмиссию на вращающуюся мачту. Мачта представляет собой цилиндрический металлический вал, который проходит вверх от трансмиссии и приводится в движение ею. В верхней части мачты находится точка крепления (в просторечии гайка Иисуса ) для лопастей ротора, называемая ступицей. Затем к ступице прикрепляются лопасти ротора, и ступица может иметь сопротивление в 10-20 раз больше, чем лопасть. Системы несущего винта классифицируются в зависимости от того, как лопасти несущего винта прикреплены и перемещаются относительно ступицы несущего винта. Существует три основных классификации: жесткие, полужесткие и полностью сочлененные, хотя некоторые современные роторные системы используют комбинацию этих классификаций. Ротор — это точно настроенная вращающаяся масса, и различные тонкие регулировки уменьшают вибрации при разных скоростях полета. Роторы предназначены для работы при фиксированных оборотах в минуту (в узком диапазоне нескольких процентов), но несколько экспериментальных самолетов использовали роторы с регулируемой скоростью.

в отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторные реактивные двигатели, несущий винт вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это позволяет снизить скорость промывки вниз при заданной величине тяги. Поскольку на низких скоростях более эффективно ускорять большое количество воздуха в небольшой степени, чем небольшое количество воздуха в большой степени, низкая нагрузка на диск (тяга на площадь диска) значительно увеличивает энергоэффективность, и это снижает расход топлива и обеспечивает разумный диапазон. Эффективность зависания («добротность») типичного вертолета составляет около 60%. Внутренняя треть длины лопасти несущего винта очень мало способствует подъемной силе из-за ее низкой скорости полета.

Лопасти

Лопасти вертолета представляют собой длинные узкие профили с высокое соотношение сторон, форма, которая минимизирует сопротивление от концевых вихрей (для сравнения см. крылья планера ). Как правило, они содержат степень размыва, которая снижает подъемную силу, создаваемую на концах, где воздушный поток является самым быстрым, и образование вихря было бы значительной проблемой. Лопасти ротора изготавливаются из различных материалов, включая алюминий, композитную конструкцию и сталь или титан, с защитой от истирания вдоль передней кромки.

Лопасти винтокрылых машин традиционно пассивны; однако некоторые вертолеты включают в себя активные компоненты на лопастях. Kaman K-MAX использует закрылки задней кромки для управления шагом лопастей, а Hiller YH-32 Hornet питался от ПВД, установленных на концах лопастей. По состоянию на 2010 год ведутся исследования по активному управлению лопастями через закрылки задней кромки. Наконечники некоторых лопастей вертолетов могут быть специально сконструированы для уменьшения турбулентности и шума и обеспечения более эффективного полета. Примером таких наконечников являются наконечники роторов BERP, созданных в рамках британской программы экспериментальных роторов.

Hub

Простой ротор Robinson R22

Роторная головка Robinson R44

Простой ротор Робинсон R22 показывает (сверху):

• Следующие элементы приводятся в движение тяговыми стержнями от вращающейся части наклонной шайбы. шарниров шага, позволяя лопастям вращаться вокруг оси, идущей от лопасти От основания к кончику лезвия.
• шарниров шага, позволяя лопастям вращаться вокруг оси, идущей от лопасти От основания к кончику лезвия.
• Шарнир качания, позволяющий одной лопасти подниматься вертикально, а другой опускаться вертикально. Это движение происходит при наличии поступательного относительного ветра или в ответ на циклическое управляющее воздействие.
• Ножничное звено и противовес переносят вращение главного вала вниз к верхней наклонной шайбе
• Резиновые крышки защищают движение и неподвижные валы
• автоматы перекоса, передающие циклический и общий шаг на лопасти (верхний вращается)
• Три невращающихся стержня управления передают информацию о шаге на нижний диск перекоса

Полностью сочлененная

Схема полностью сочлененной головки несущего винта

Хуан де ла Сьерва разработал полностью сочлененный ротор для автожира . Основа его конструкции позволила успешно создать вертолет. В полностью шарнирно-сочлененной роторной системе каждая лопасть ротора прикреплена к ступице ротора через серию шарниров, которые позволяют лопасти двигаться независимо от других. Эти роторные системы обычно имеют три или более лопастей. Лезвия могут взмахивать, опускаться, вести или отставать независимо друг от друга. Горизонтальный шарнир, называемый откидным шарниром, позволяет полотну перемещаться вверх и вниз. Это движение называется взмахами и предназначено для компенсации несимметрии подъемной силы. Откидной шарнир может быть расположен на различных расстояниях от ступицы ротора, и может быть более одного шарнира. Вертикальный шарнир, называемый шарниром опережения и запаздывания или шарниром сопротивления, позволяет лезвию перемещаться вперед и назад. Это движение называется задержкой, перетаскиванием или охотой. Демпферы обычно используются для предотвращения чрезмерного движения вперед и назад вокруг шарнира. Шарнир сопротивления и амортизаторы предназначены для компенсации ускорения и замедления, вызванного разницей в сопротивлении движущихся и отступающих лопастей. Более поздние модели перешли от использования традиционных подшипников к эластомерным подшипникам. Эластомерные подшипники по своей природе отказоустойчивы, а их износ постепенный и заметный. В этой конструкции исключается контакт металл-металл старых подшипников и необходимость в смазке. Третий шарнир в полностью шарнирно-сочлененной системе называется шарнирным шарниром вокруг оси отклонения. Этот шарнир отвечает за изменение шага лопастей ротора, возбуждаемых через пилотный ввод в коллективный или циклический.

Вариантом полностью шарнирной системы является система мягкого ротора. Этот тип ротора можно найти на нескольких самолетах, производимых Bell Helicopter, таких как OH-58D Kiowa Warrior. Эта система похожа на полностью сочлененный тип в том, что каждое лезвие имеет возможность вести / отставать и охотиться независимо от других лезвий. Разница между полностью шарнирно-сочлененной системой и системой soft-in-plane заключается в том, что в системе soft-in-plane используется композитная вилка. Эта вилка прикреплена к мачте и проходит через зажимы между лопастями и срезной подшипник внутри рукоятки. Это ярмо передает некоторое движение одного лезвия другому, обычно противоположному. Хотя это не полностью сформулировано, летные характеристики очень похожи, а время и стоимость обслуживания сокращены.

Жесткий

Термин «жесткий ротор» обычно относится к бесшарнирной роторной системе с лопастями, гибко прикрепленными к ступице. Ирв Калвер из Lockheed разработал один из первых жестких роторов, который был испытан и разработан на серии вертолетов в 1960-х и 1970-х годах. В жесткой роторной системе каждая лопасть хлопает по гибким участкам корня. Жесткая роторная система механически проще, чем полностью сочлененная роторная система. Нагрузки от колебательных движений и сил опережения / запаздывания компенсируются за счет изгиба лопастей ротора, а не через шарниры. Изгибаясь, лезвия сами компенсируют усилия, которые ранее требовали надежных шарниров. В результате роторная система имеет меньшую задержку в ответной реакции из-за обычно генерируемого большого момента ступицы. Таким образом, жесткая роторная система устраняет опасность удара мачты, присущую полужестким роторам.

Полужесткая система

Полужесткая роторная система

Полужесткий ротор также может называться качающимся или качающимся ротором. Эта система обычно состоит из двух лопастей, которые встречаются прямо под общим шарниром на валу ротора. Это позволяет лопастям складываться вместе в противоположных движениях, как качели. Этот перекос лопастей под шарнир качения в сочетании с адекватным двугранным или коническим углом на лопастях сводит к минимуму отклонения радиуса центра масс каждой лопасти от оси вращения при вращении ротора, что, в свою очередь, снижает нагрузку на лопасти от опережающих и запаздывающих сил, вызванных эффектом Кориолиса. Также могут быть предусмотрены вторичные откидные петли для обеспечения достаточной гибкости для минимизации подпрыгивания. Растушевка достигается за счет шарнира на основании лопасти, который позволяет изменять угол наклона лопасти.

Комбинация

Современные роторные системы могут использовать комбинированные принципы роторных систем, упомянутых выше. Некоторые ступицы ротора имеют гибкую ступицу, которая позволяет изгибать (изгибать) лопасти без использования подшипников или шарниров. Эти системы, называемые «прогибами», обычно изготавливаются из композитного материала. Эластомерные подшипники также могут использоваться вместо обычных роликовых подшипников. Эластомерные подшипники изготовлены из материала резинового типа и обеспечивают ограниченное движение, что идеально подходит для вертолетов. Изгибы и эластомерные подшипники не требуют смазки и, следовательно, требуют меньшего обслуживания. Они также поглощают вибрацию, что снижает утомляемость и увеличивает срок службы компонентов вертолета.

Качающаяся шайба

Органы управления циклически изменяют шаг лопастей несущего винта на протяжении всего вращения. Пилот использует это, чтобы управлять направлением тяги ротора вектор, который определяет часть диска ротора, где развивается максимальная тяга. Общий шаг изменяет величину тяги ротора, увеличивая или уменьшая тягу по всему диску ротора одновременно. Эти изменения шага лопастей контролируются путем наклона, подъема или опускания тарелки автомата перекоса с помощью органов управления полетом. Подавляющее большинство вертолетов поддерживают постоянную скорость ротора (об / мин) во время полета, оставляя угол атаки лопастей в качестве единственного средства регулировки тяги от несущего винта.

Качающаяся шайба представляет собой два концентрических диска или пластины. Одна плита вращается с мачтой, соединенной холостыми звеньями, а другая не вращается. Вращающаяся пластина также соединена с отдельными лопастями через промежуточные звенья и ступенчатые выступы. Невращающаяся пластина соединена со звеньями, которыми управляют пилотные органы управления, в частности, коллективное и циклическое управление. Аппарат перекоса может перемещаться по вертикали и наклоняться. Путем смещения и наклона невращающаяся пластина управляет вращающейся пластиной, которая, в свою очередь, регулирует шаг отдельных лопастей.

Flybar (стабилизатор поперечной устойчивости)

Ряд инженеров, в том числе Артур М. Янг в США и авиамоделист по радиоуправлению в Германии, обнаружили, что устойчивость полета для вертолеты могли быть достигнуты со стабилизатором поперечной устойчивости или флайбаром. Флайбар имеет на каждом конце груз или лопасти (или и то, и другое для дополнительной устойчивости на меньших вертолетах) для поддержания постоянной плоскости вращения. Благодаря механическим связям стабильное вращение штанги смешивается с движением наклонной шайбы для гашения внутренних (рулевых), а также внешних (ветровых) сил на ротор. Это облегчает пилоту контроль над самолетом. Стэнли Хиллер пришел к аналогичному методу повышения устойчивости, добавив короткие короткие аэродинамические поверхности или лопасти на каждом конце. Однако система «Rotormatic» Хиллера также передавала циклические управляющие сигналы на главный ротор в качестве своего рода управляющего ротора, а лопасти обеспечивали дополнительную стабильность за счет гашения воздействия внешних сил на ротор.

В роторной системе Lockheed использовался управляющий гироскоп, аналогичный по принципу действия стабилизатора поперечной устойчивости Bell, но разработанный для обеспечения устойчивости при автоматическом отключении и быстрой реакции управления бесшарнирной роторной системой.

В вертолетах или RC-моделях, микроконтроллер с датчиками гироскопа и датчиком Вентури можно заменить стабилизатор. Эта конструкция без флайбара имеет преимущество, заключающееся в легкой реконфигурации и меньшем количестве механических деталей. Хотя настоящий вертолет с дистанционным управлением с флайбаром должен держать гироскоп на каждой оси.

Несущий винт замедлен

Большинство роторов вертолетов вращаются с постоянной скоростью. Однако замедление ротора в некоторых ситуациях может принести пользу.

По мере увеличения скорости движения конечная скорость движущегося ротора вскоре приближается к скорости звука. Чтобы уменьшить проблему, можно уменьшить скорость вращения, что позволит вертолету лететь быстрее.

Чтобы отрегулировать подъем ротора на более низких скоростях, в традиционной конструкции угол атаки лопастей ротора уменьшается с помощью регулятора общего шага. Вместо этого замедление ротора может снизить сопротивление на этом этапе полета и, таким образом, улучшить экономию топлива.

Конфигурации ротора

Большинство вертолетов имеют один несущий винт, но для преодоления крутящего момента требуется отдельный ротор. Это достигается за счет противоточного или рулевого винта с регулируемым шагом. Это конструкция, которую Игорь Сикорский выбрал для своего вертолета VS-300, и она стала признанной конвенцией при проектировании вертолетов, хотя конструкции действительно различаются. Если смотреть сверху, подавляющее большинство несущих винтов вертолетов вращается против часовой стрелки; винты французских и российских вертолетов вращаются по часовой стрелке.

Один несущий винт

Antitorque : Влияние крутящего момента на вертолет

В вертолете с одним несущим винтом создание крутящего момента, когда двигатель вращает ротор, создает эффект крутящего момента, который заставляет корпус вертолета поворачиваться в направлении, противоположном ротору. Чтобы устранить этот эффект, необходимо использовать какое-то противодействие вращению с достаточным запасом мощности, чтобы вертолет мог удерживать свой курс и обеспечивать контроль рыскания. Три наиболее распространенных элемента управления, используемых сегодня, — это хвостовой винт, Eurocopter Fenestron (также называемый fantail) и MD Helicopters ‘NOTAR.

Хвостовой винт

Хвост. ротор SA 330 Puma

Хвостовой винт — это меньший ротор, установленный так, что он вращается вертикально или почти вертикально на конце хвостовой части традиционного одновинтового вертолета. Положение хвостового винта и расстояние от центра тяжести позволяют ему развивать тягу в направлении, противоположном вращению несущего винта, чтобы противостоять эффекту крутящего момента, создаваемому несущим винтом. Хвостовые винты проще основных роторов, поскольку для изменения тяги им требуется только общее изменение шага. Шаг лопастей рулевого винта регулируется пилотом с помощью педалей против крутящего момента, которые также обеспечивают управление направлением, позволяя пилоту вращать вертолет вокруг его вертикальной оси, тем самым изменяя направление движения летательного аппарата.

Канальный вентилятор

Фенестрон на EC 120B

Фенестрон и ФАНТАЙЛ являются товарными знаками для канального вентилятора, установленного на конце хвостовой балки вертолета и используемого вместо рулевого винта. Канальные вентиляторы имеют от восьми до восемнадцати лопастей, расположенных с неравномерным шагом, так что шум распределяется по разным частотам. Корпус выполнен за одно целое с обшивкой самолета и обеспечивает высокую скорость вращения; поэтому канальный вентилятор может иметь меньший размер, чем обычный хвостовой винт.

Фенестрон был впервые использован в конце 1960-х годов на второй экспериментальной модели SA 340 Sud Aviation и произведен на более поздней модели Aérospatiale SA 341 Gazelle. Помимо Eurocopter и его предшественников, хвостовой винт с вентилятором также использовался в отмененном проекте военного вертолета армии США RAH-66 Comanche, как ФАНТАЙЛ.

NOTAR

Диаграмма, показывающая движение воздуха через систему NOTAR

NOTAR, сокращение от NOTAil R otor, представляет собой систему противодействия крутящему моменту вертолета, которая исключает использование рулевого винта на вертолете. Хотя на уточнение концепции потребовалось некоторое время, система NOTAR проста в теории и обеспечивает противодействие движению так же, как крыло развивает подъемную силу, используя эффект Коанды. Вентилятор с регулируемым шагом расположен в задней части фюзеляжа непосредственно перед хвостовой балкой и приводится в действие трансмиссией несущего винта. Чтобы обеспечить боковую силу для противодействия крутящему моменту по часовой стрелке, создаваемому вращающимся против часовой стрелки основным ротором (если смотреть сверху основного ротора), вентилятор с регулируемым шагом нагнетает воздух низкого давления через две прорези на правой стороне задней балки, вызывая промывка вниз от несущего винта, чтобы охватить хвостовую балку, создавая подъемную силу и, следовательно, меру противодействия, пропорциональную количеству воздушного потока от промывки ротора. Это дополняется реактивным двигателем прямого действия, который также обеспечивает направленное управление рысканием, с наличием оперения с неподвижной поверхностью около конца хвостового оперения, включая вертикальные стабилизаторы.

Разработка системы NOTAR началась в 1975 году, когда инженеры Hughes Helicopters начали разработку концепции. В декабре 1981 года Хьюз впервые пилотировал OH-6A, оборудованный NOTAR. Более сильно модифицированный опытный образец-демонстратор впервые поднялся в воздух в марте 1986 года и успешно завершил расширенную программу летных испытаний, проверив систему для будущего применения в конструкции вертолетов. В настоящее время существует три серийных вертолета с дизайном NOTAR, все они производятся MD Helicopters. Эта противодействующая конструкция также повышает безопасность, исключая возможность попадания персонала в хвостовой винт.

Предшественник (своего рода) этой системы существовал в виде британского вертолета Cierva W.9, самолета конца 1940-х годов, использующего охлаждающий вентилятор поршневого двигателя для проталкивания воздуха через сопло, встроенное в хвостовую балку для противодействия крутящему моменту ротора.

Сопла с наконечником

Главный ротор может приводиться в движение соплами с наконечником. Такая система может работать от воздуха высокого давления, подаваемого компрессором. Воздух может смешиваться или не смешиваться с топливом и сжигаться в реактивных двигателях, импульсных двигателях или ракетах. Хотя этот метод прост и исключает реакцию крутящего момента, созданные прототипы менее экономичны, чем обычные вертолеты. За исключением сопел, приводимых в действие несгоревшим сжатым воздухом, очень высокий уровень шума является единственной наиболее важной причиной, по которой роторы с приводом на сопло не получили широкого распространения. Однако исследования по подавлению шума продолжаются и могут помочь сделать эту систему жизнеспособной.

Есть несколько примеров винтокрылых летательных аппаратов с концевой реактивной тягой. Персиваль P.74 имел недостаточную мощность и не мог летать. Hiller YH-32 Hornet имел хорошую грузоподъемность, но в остальном работал плохо. Другие самолеты использовали вспомогательную тягу для поступательного полета, так что концевые жиклеры могли отключаться при авторотации несущего винта. Экспериментальные Fairey Jet Gyrodyne, 48-местные пассажирские прототипы Fairey Rotodyne и составные автожиры McDonnell XV-1 хорошо летали с использованием этого метода. Возможно, самой необычной конструкцией этого типа был Rotary Rocket Roton ATV, который изначально предполагался для взлета с помощью ракетного ротора. Французский Sud-Ouest Djinn использовал несгоревший сжатый воздух для приведения в движение ротора, что минимизировало шум и помогло ему стать единственным вертолетом с водометным приводом, запущенным в производство. Hughes XH-17 имел ротор с реактивным приводом на конце, который остается самым большим винтом, когда-либо установленным на вертолете.

Сдвоенные роторы

Сдвоенные роторы вращаются в противоположных направлениях, чтобы противодействовать влиянию крутящего момента на самолет, не полагаясь на противодействующий рулевой винт. Это позволяет летательному аппарату применять мощность, которая приводила бы в движение хвостовой винт, к основным несущим винтам, увеличивая подъемную способность. В первую очередь, в трех распространенных конфигурациях используется эффект встречного вращения винтокрылого аппарата. Тандемные роторы — это два ротора, установленных один за другим. Коаксиальные роторы — это два ротора, установленных один над другим на одной оси. Взаимозацепляющиеся роторы — это два ротора, установленных близко друг к другу под достаточным углом, чтобы роторы могли зацепляться над верхней частью самолета. Другая конфигурация, встречающаяся на конвертопланах и некоторых ранних вертолетах, называется поперечными несущими винтами, где по паре несущих винтов установлены на каждом конце конструкции крыла или аутригера.

Тандем

Boeing CH-47 Chinook

Тандемные винты — это два горизонтальных несущих винта в сборе, установленных один за другим. Тандемные роторы изменяют шаг и положение для ускорения и замедления вертолета посредством процесса, называемого циклическим шагом. Для наклона вперед и ускорения оба ротора увеличивают шаг сзади и уменьшают шаг спереди (циклический), сохраняя одинаковый крутящий момент на обоих роторах, полет вбок достигается за счет увеличения шага с одной стороны и уменьшения шага с другой. Контроль рыскания достигается за счет противоположного циклического шага каждого ротора. Для поворота вправо передний ротор наклоняется вправо, а задний ротор наклоняется влево. При повороте влево передний ротор наклоняется влево, а задний ротор — вправо. Вся мощность ротора способствует подъемной силе, и легче справиться с изменениями центра тяжести в продольном направлении. Однако это требует затрат на два больших винта, а не на один большой несущий винт и хвостовой винт гораздо меньшего размера. Boeing CH-47 Chinook — самый распространенный вертолет с тандемным винтом.

Коаксиальный

Камов Ка-50 ВВС России с соосными роторами

Коаксиальные роторы представляют собой пару роторов, установленных друг над другом на одном валу и вращающихся в противоположных направлениях.. Преимущество соосного ротора состоит в том, что при полете вперед подъемная сила, создаваемая продвигающимися половинами каждого винта, компенсирует отступающую половину другой, устраняя один из ключевых эффектов несимметричности подъемной силы: срыв лопастей при отступлении. Однако коаксиальным роторам мешают другие конструктивные особенности. Механическая сложность роторной системы повышается, поскольку для нее требуются рычажные механизмы и наклонные шайбы для двух роторных систем. Кроме того, поскольку роторы должны вращаться в противоположных направлениях, мачта является более сложной, и рычаги управления для изменения шага в системе верхнего ротора должны проходить через систему нижнего ротора.

Сцепление

Сцепление несущих винтов на вертолете представляет собой набор из двух несущих винтов, вращающихся в противоположных направлениях, при этом каждая мачта несущего винта установлена ​​на вертолете под небольшим углом друг к другу, так что лопасти сцепляются без столкновение. Эту конфигурацию иногда называют синхроптером. Роторы с взаимным зацеплением обладают высокой стабильностью и высокой грузоподъемностью. Устройство было впервые применено в нацистской Германии в 1939 году с успешным дизайном Flettner Fl 265 Антона Флеттнера, которое позже было запущено в ограниченное производство как успешное Flettner Fl 282 Kolibri, использовался немецкими Kriegsmarine в небольшом количестве (произведено 24 планера) в качестве экспериментального легкого противолодочного боевого вертолета. Во время холодной войны американская компания Kaman Aircraft производила HH-43 Huskie для USAF пожарных и спасательных операций. Последняя модель Kaman, Kaman K-MAX, представляет собой особый дизайн небесного крана.

Поперечный

Поперечные винты устанавливаются на концах крыльев или аутригерах перпендикулярно корпусу самолета. Подобно тандемным роторам и роторам с зацеплением, поперечный ротор также использует дифференциальный общий шаг. Но, как и роторы с взаимным зацеплением, поперечные роторы используют концепцию изменения положения винтокрылого аппарата по крену. Эта конфигурация используется на двух из первых жизнеспособных вертолетов, Focke-Wulf Fw 61 и Focke-Achgelis Fa 223, а также на самом большом в мире вертолете, когда-либо построенном, Миль Ми-12. Такая же конфигурация используется на конвертопланах, таких как Bell-Boeing V-22 Osprey и AgustaWestland AW609.

Quad rotor

Etienne Oehmichen., Париж, Франция, 1921 г. Источник

вертолет де Ботеза, фото 1923 г.

A четырехвинтовой или квадрокоптер состоит из четырех несущих винтов в » X «конфигурация. Роторы слева и справа имеют поперечную конфигурацию, а роторы спереди и сзади — тандемную.

Преимущество четырехвинтовых роторов на небольших самолетах, таких как беспилотные летательные аппараты, заключается в простоте механики. У квадрокоптера с электродвигателями и роторами фиксированного шага всего четыре движущихся части. Угол наклона, рыскания и крена можно контролировать, изменяя относительную подъемную силу различных пар несущих винтов без изменения общей подъемной силы.

Два семейства аэродинамических поверхностей — это

• симметричные профили
• асимметричные профили

Симметричные лопасти очень устойчивы, что помогает свести к минимуму скручивание лопастей и нагрузку на управление полетом. Эта стабильность достигается за счет того, что центр давления практически не меняется при изменении угла атаки. Центр давления — это воображаемая точка на линии хорды, в которой, как считается, сосредоточена равнодействующая всех аэродинамических сил. Сегодня конструкторы используют более тонкие аэродинамические поверхности и добиваются необходимой жесткости за счет использования композитных материалов.

Кроме того, некоторые аэродинамические поверхности имеют асимметричную конструкцию, что означает, что верхняя и нижняя поверхности не имеют одинаковый изгиб. Обычно эти аэродинамические поверхности не были бы такими устойчивыми, но это можно исправить, изогнув заднюю кромку, чтобы получить те же характеристики, что и у симметричных аэродинамических поверхностей. Это называется «рефлексией». Использование этого типа лопастей ротора позволяет роторной системе работать на более высоких скоростях движения. Одна из причин, по которой асимметричная лопасть ротора не так стабильна, заключается в том, что центр давления изменяется с изменением угла атаки. Когда центр подъемной силы давления находится за точкой поворота на лопасти ротора, это имеет тенденцию вызывать подъем диска ротора. По мере увеличения угла атаки центр давления перемещается вперед. Если он движется впереди точки поворота, шаг диска ротора уменьшается. Поскольку угол атаки лопастей ротора постоянно меняется в течение каждого цикла вращения, лопасти имеют тенденцию в большей степени хлопать, двигаться, опережать и отставать.

Ограничения и опасности

вертолеты с качающимися несущими винтами — например, система с двумя лопастями на Bell, Robinson и другие — не должны подвергаться условиям низкого ускорения, потому что такие роторные системы не контролируют положение фюзеляжа. Это может привести к тому, что фюзеляж займет положение, управляемое импульсом и тяговым усилием рулевого винта, которое заставит хвостовую балку пересекать плоскость траектории кончика несущего винта или приведет к контакту ножек лопастей с приводным валом несущего винта, в результате чего лопасти отделятся от ступица (удар мачты).

Истирание в песчаной среде

Эффект Коппа – Этчеллса

При работе в песчаной среде песок, ударяясь о движущиеся лопасти ротора, разъедает их поверхность. Это может повредить роторы и вызвать серьезные и дорогостоящие проблемы с обслуживанием.

Абразивные полосы на лопастях винта вертолетов сделаны из металла, часто титана или никеля, что очень дорого. твердый, но менее твердый, чем песок. Когда вертолет летит низко над землей в пустыне, попадание песка на лопасти винта может вызвать эрозию. Ночью попадание песка на металлическую полосу истирания вызывает видимую корону или ореол вокруг лопастей ротора. Эффект вызван пирофорным окислением эродированных частиц и триболюминесценцией, в результате которой столкновение с частицами песка вызывает фотолюминесценцию.

Военный фотограф и журналист Майкл Йон наблюдал эффект при сопровождении американских солдат в Афганистане. Когда он обнаружил, что эффект не имеет названия, он придумал название эффект Коппа-Этчеллса в честь двух солдат, погибших на войне, одного американца и одного британца.

История

A Украшенный японским бамбуком такэтомбо коптер. Игрушка состоит из ротора, прикрепленного к палке.

Первый автожир, который успешно летал в 1923 году, изобрел Хуан де ла Сьерва.

До разработки механических вертолетов в середине 20 века автожир первопроходец Хуан де ла Сьерва исследовал и разработал многие основы ротора. Де ла Сьерве приписывают успешную разработку многолопастных, полностью сочлененных роторных систем. Эта система в ее различных модифицированных формах является основой большинства многолопастных винтовых систем вертолетов.

Первая успешная попытка разработки вертолета с одинарным несущим винтом использовала четырехлопастной несущий винт, разработанный советскими авиационными инженерами Борисом Н. Юрьевым и Алексеем М. Черемухиным, оба работали на Центральном. Аэрогидродинамический институт (ЦАГИ, Центральный аэрогидродинамический институт) под Москвой в начале 1930-х годов. Их вертолет ЦАГИ 1-ЕА смог совершить полеты на малых высотах в 1931–1932 годах, а к середине августа 1932 года Черемухин поднял его на высоту 605 метров (1985 футов).

В 1930-х годах Артур Янг улучшил устойчивость двухлопастных роторных систем с помощью стабилизатора поперечной устойчивости. Эта система использовалась в нескольких моделях вертолетов Bell и Hiller. Вариант системы Hiller, использующий лопасти с лопастями на концах флайбара, использовался во многих самых ранних конструкциях моделей вертолетов с дистанционным управлением , начиная с 1970-х годов и до самого начала 21-го века.

В конце 1940-х создание лопастей винта вертолета было работой, которая вдохновила Джона Т. Парсонса стать пионером числового управления (NC). ЧПУ и ЧПУ оказались важной новой технологией, которая позже повлияла на все отрасли обработки.

Вертолёт (устаревшее гелико́птер) — винтокрылый летательный аппарат, у которого подъёмная и пропульсивная силы на всех этапах полёта создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от одного или нескольких двигателей.

Основные принципы

Ми-8 — многоцелевой вертолёт

четырехместный вертолет Robinson-R44

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.

Основные части вертолета

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.

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, 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.

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.

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.