ПРИНЦИП ПОЛЕТА ВЕРТОЛЕТА И ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ОТЛИЧИЯ ЕГО ОТ САМОЛЕТА

I. Тяга несущего винта

Вертолет — летательный аппарат тяжелее воздуха.

Подъемная сила и тяга для поступательного движения у вертолета создаются при помощи несущего винта. Этим он отличается от самолета и планера, у которых подъемная сила при движении в воздухе создается несущей поверхностью — крылом, жестко соединенным с фюзеляжем, а тяга — воздушным винтом или реактивным двигателем.

Рис. 6. Подъемная сила и сила движения вперед у самолета (тяга) и вертолета (тяга для движения вперед) в горизонтальном полете:

I — винтовой самолет; II— реактивный самолет; III — вертолет

В принципе полета самолета и вертолета можно провести аналогию. В том и другом случае подъемная сила создается за счет взаимодействия двух тел: воздуха и летательного аппарата (самолета или вертолета).

Наоборот, для поддержания вертолета в воздухе при “висении” на месте требуется больше мощности, чем во время полета с некоторой поступательной скоростью, при которой имеет место встречный поток воздуха за счет движения вертолета.

Иными словами, при затрате одной и той же мощности (например, номинальной мощности двигателя) в случае наклонного полета с достаточно большой скоростью можно достичь большего потолка, чем при вертикальном подъеме, когда общая скорость перемещения вертолета меньше, чем в первом случае. Поэтому у вертолета имеется два потолка: статический, когда высота набирается в вертикальном полете, и динамический, когда высота набирается в наклонном полете, причем динамический потолок всегда выше статического.

В работе несущего винта вертолета и воздушного винта самолета есть много общего, но имеются и принципиальные отличия, о которых будет сказано дальше.

Величина тяги несущего винта в очень большой степени зависит от его диаметра D и числа оборотов. При увеличении диаметра винта в два раза тяга его увеличится приблизительно в 16 раз, при увеличении числа оборотов вдвое тяга увеличится приблизительно в 4 раза. Кроме того, тяга несущего винта зависит также от плотности воздуха ρ, угла установки лопастей φ (шага несущего винта), геометрических и аэродинамических характеристик данного винта, а также от режима полета.

_{Необходимо отметить, что на величину тяги при полетах у земли оказывает влияние так называемая “воздушная подушка”, благодаря чему вертолет может оторваться от земли и подняться на несколько метров при затрате мощности меньшей, чем та, которая необходима для “висения” на высоте 10—15 м. Наличие “воздушной подушки” объясняется тем, что воздух, отбрасываемый винтом, ударяется о землю и несколько поджимается, т. е. увеличивает свою плотность. Влияние “воздушной подушки” особенно сильно сказывается при работе винта у земли. За счет поджатия воздуха тяга несущего винта в этом случае, при одной и той же затрате мощности, увеличивается на 30—40%. Однако с удалением от земли это влияние быстро уменьшается, а при высоте полета, равной половине диаметра винта, “воздушная подушка” увеличивает тягу только на 15—20%. Высота “воздушной подушки” приблизительно равна диаметру несущего винта. Далее прирост тяги исчезает.}

^{Несущий винт вертолета обладает исключительно важным свойством — способностью создавать подъемную силу на режиме самовращения (авторотации) в случае остановки двигателя, что позволяет вертолету совершать безопасный планирующий или парашютирующий спуск и посадку.}

^{Вращающийся несущий винт сохраняет необходимое число оборотов при планировании или парашютировании, если его лопасти будут переведены на небольшой угол установки. При этом сохраняется подъемная сила, обеспечивающая спуск с постоянной вертикальной скоростью (6—10 м/сек), с последующим уменьшением ее при выравнивании перед посадкой до l--1,5 м/сек.}

2. РЕАКТИВНЫЙ МОМЕНТ. СХЕМЫ ВЕРТОЛЕТОВ

Если какое-либо тело находится в покое или в состоянии установившегося равномерного движения, то сумма действующих на него сил и моментов от этих сил должна равняться нулю. Силы и моменты от сил разделяются на активные и реактивные. Каждая активная сила или активный момент от силы уравновешивается своей реактивной силой или реактивным моментом (закон равенства действия противодействию). Если равновесия нет, то это тело будет двигаться с ускорением.

Равновесие сил должно соблюдаться по всем трем осям в пространстве, точно так же, как и равновесие моментов должно соблюдаться относительно всех трех осей.

Когда человек поднимает по лестнице какой-либо груз, он совершает какую-то работу. Чтобы совершить эту работу по преодолению внешней силы (силы веса), он должен иметь опору, т. е. опираться на лестницу, реакция- которой уравновешивает вес.

Подобно этому примеру можно рассмотреть и работу силовой установки вертолета. Рассмотрим моменты от сил, лежащих в горизонтальной плоскости. Для того чтобы вращать несущий винт, двигатель должен затрачивать определенную мощность. При этом он должен иметь опору, реакция которой уравновешивала бы момент, действующий в горизонтальной плоскости, от сил сопротивления несущего винта. Если такой опоры нет, то момент от сил сопротивления несущего винта, реактивный момент, будет передаваться корпусу вертолета через редукторы и их опоры в горизонтальной плоскости и заставит его вращаться в сторону, противоположную вращению винта.

Для того чтобы исключить вращение вертолета от реактивного момента, в качестве опоры в полете может быть использован только воздух.

Существуют различные способы уравновешивания реактивного момента, по которым обычно классифицируются вертолеты (рис. 10).

У вертолета соосной схемы момент силы сопротивления воздуха верхнего винта уравновешивается моментом сопротивления воздуха нижнего винта, так как винты вращаются в разные стороны. У двухвинтового вертолета реактивные моменты взаимно уравновешиваются благодаря тому, что винты вращаются в разные стороны. У вертолета одновинтовой схемы реактивный момент уравновешивается тягой рулевого винта. Воздух, отбрасываемый рулевым винтом, является опорой для силовой установки вертолета, когда она совершает работу, преодолевая силы сопротивления на несущем винте.

 

 

 

 

 

 

Рис. 10. Основные схемы вертолетов:

I — соосное расположение винтов, вращающихся в разные стороны; II — продольное расположение винтов, вращающихся в разные стороны; III — поперечное расположение винтов, вращающихся в разные стороны; IV — многовинтовая схема; V — одновинтовая схема с рулевым винтом; VI — вертолет с реактивными двигателями на лопастях несущего винта