1.2.4.2. Вертолет

Вертолет – это ЛА тяжелее воздуха (рис. 1.47), совершающий полет за счет тяги, создаваемой одним или несколькими несущими винтами (НВ) по аэродинамическому принципу.

По сравнению с самолетом вертолет обладает следующими преимуществами:

– способностью вертикально набирать высоту и снижаться, совершать вертикальный взлет и посадку;

– возможностью горизонтально перемещаться вперед, назад, вправо, влево, «висеть» (находиться на одной высоте без движения по горизонту);

– возможностью безопасной посадки при отказе д

Рис. 1.47. Вертолет Ансат

вигателя в режиме «авторотации» НВ.

Вместе с тем вертолеты имеют серьезные недостатки:

– малые скорость и высоту полета;

– сложность пилотирования из-за плохой устойчивости на некоторых режимах полета;

– возникновение момента вращения на фюзеляже от вращения несущего винта;

– склонность к вибрациям;

– высокая стоимость разработки и эксплуатации;

– сложность конструкции;

Основной частью вертолета является несущий винт который создает силы, уравновешивающие массу вертолета и обеспечивающие устойчивость, управляемость и возможность движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Н

Рис. 1.48. Вертикальное движение

вертолета

есущий винт вертолета состоит из нескольких лопастей, представляющих собой крылья большого удлинения, приводимые во вращение двигателем. Лопасть НВ имеет аэродинамический профиль и создает аэродинамическую силу R в набегающем потоке воздуха при ее вращении. Фактически НВ как бы зачерпывает лопастями воздух и отбрасывает его с ускорением вниз, при этом на лопасти действует сила реакции R, направленная в противоположную сторону (вверх). Величина силы реакции (тяги) НВ зависит от угла установки лопастей, или шага винта (угла атаки α лопастей) и частоты вращения НВ (скорости набегающего на лопасти потока воздуха). Для управления тягой НВ пилот отклоняет ручку «шаг-газ», при этом изменяется шаг НВ (масса отбрасываемого воздуха) и сопротивление его вращению (потребная мощность на вращение). Одновременно, с целью сохранения частоты вращения НВ, изменяется мощность на валу двигателя.

В режиме вертикального набора высоты, снижения или «висения» плоскость вращения НВ расположена горизонтально, а центр масс вертолета перемещается вертикально или неподвижен (рис. 1.48).

Для осуществления горизонтального полета (преодоления аэродинамического сопротивления) вертолета нужна горизонтальная составляющая тяги НВ. Поэтому с помощью автомата перекоса производится наклон плоскости НВ в сторону полета (рис. 1.49, а), что вызывает появление неуравновешенного момента М_z=R_НВ ×с. Под действием этого момента вертолет вращается вокруг центра масс до тех пор пока М_z не станет равным нулю (рис. 1.49, б), то есть пока линия действия R_НВ не пройдет через цент масс вертолета. Вертикальная составляющая тяги НВ уравновешивает силу веса G, горизонтальная составляющая Р – силу аэродинамического сопротивления Х. Моменты аэродинамических сил несущего винта относительно центра масс вертолета взаимно уравновешенны: Рb=Y·a. Вертолет совершает равномерный прям

а б

Рис. 1.49. Режим горизонтального полета вертолета

олинейный полет в горизонтальной плоскости.

Для обеспечения наклона плоскости НВ пилот отклоняет в нужную сторону ручку циклического шага, при этом автомат перекоса производит циклическое изменение углов установки лопастей при прохождении ими заданной точки. Увеличение шага НВ осуществляется кратковременным увеличением угла атаки α лопасти (увеличение подъемной силы) с последующим возвращением α к его исходному значению.

Режим «авторотации» реализуется при отказе двигателя вертолета выводом НВ из зацепления с редуктором. В этом случае НВ, вращаясь в набегающем потоке воздуха, создает подъемную силу Y. «Авторотация» возможна только при наличии поступательной скорости, и позволяет вертолету «планировать» со снижением.

При вращении НВ на фюзеляже вертолета возникает реактивный момент, противоположный моменту вращения НВ, который необходимо компенсировать. Для компенсации реактивного момента используются следующие схемы.

Н

Рис. 1.50. Вертолет одновинтовой

схемы

аиболее распространенные вертолеты одновинтовой схемы с установленным на хвостовой балке рулевым винтом. Одновинтовая схема относительно проста, обеспечивает хорошую путевую управляемость изменением шага (угла атаки лопастей) рулевого винта, однако необходима длинная хвостовая балка с трансмиссией, а отбор мощности от двигателя достигает 8 – 15% (рис. 1.50);

У

Рис. 1.51. Вертолет сосной схемы

Рис. 1.52. Вертолет Ка-32

вертолетов соосной схемы вал верхнего винта проходит через полый вал нижнего (рис. 1.51, 1.52). Несущие винты вращаются в противоположные стороны, их реактивные моменты взаимно уравновешиваются. При использовании сосной схемы не требуется отбор мощности от двигателя на привод рулевого винта и не нужна тяжелая хвостовая балка с трансмиссией. Управление по направлению осуществляется с помощью рассогласования частот вращения несущих винтов и рулей на вертикальном оперении. Необходимая подъемная сила достигается при меньшем диаметре НВ, так как суммарное число лопастей увеличивается, что позволяет использовать вертолеты сосной схемы в корабельной палубной авиации и в горной местности.

В качестве недостатков можно отметить более сложную схему редуктора НВ и неблагоприятные условия обтекания нижнего НВ, так как он работает в потоке воздуха от верхнего НВ. Вследствие отмеченных недостатков вертолеты сосной схемы получили наименьшее распространение.

У вертолетов продольной схемы (рис. 1.53, 1.54) несущие винты разнесены вдоль фюзеляжа и вращаются в разные стороны для взаимной компенсации реактивных моментов от вращения. Вертолеты продольной схемы имеют большой объем фюзеляжа и большую грузоподъемность.

Рис. 1.53. Вертолет продольной схемы

Рис. 1.54. Вертолет CH-46

В

Рис. 1.55. Вертолет Ми-12

следствие ограничения по длине фюзеляжа, плоскости вращения несущих винтов перекрывают друг друга, поэтому приходится располагать НВ на разной высоте. Основным недостатком данной схемы является то, что задний винт находится в потоке переднего, что ухудшает условия его работы. При неблагоприятных условиях возможен «перехлест» лопастей несущих винтов. Большие габариты вертолетов продольной схемы так же создают определенные трудности при их эксплуатации. У вертолетов поперечной схемы (рис. 1.55) несущие винты соединены с фюзеляжем при помощи крыльев или ферм и вращаются в разные стороны. Эта схема имеет полную аэродинамическую симметрию, что улучшает устойчивость и управляемость. Взаимное влияние НВ практически отсутствует. Из-за поперечного расположения НВ улучшаются летные характеристики на средних скоростях, допустима значительная перегрузка при взлете с разбегом.