Несущий винт

Если говорить об отдельном агрегате, который более, чем какие-либо другие, спо­собен сделать летательный аппарат не­обычным, так это несущий винт. Схема такого устройства, принцип действия кото­рого первоначально представляли как дви­жение посредством «ввинчивания в воздуш­ную среду», была разработана Леонардо да Винчи около 1500г. Однако, подобно другим идеям механического по­лета, потребовалось несколько столетий для появления необходимой для ее реализа­ции технической базы.

Первые потенциально работоспособные конфигурации вертолета появились в 1907-1909 гг., после чего начинает разви­ваться экспериментальное вертолетостроение. В следующие десятилетия лишь очень небольшому числу экспериментальных вер­толетов удавалось оторваться от земли и на непродолжительное время зависать в воздухе. Вплоть до 1937 г. ни одному из построенных вертолетов не удалось прео­долеть влияние земли или совершить дей­ствительно управляемый полет. Именно в 1937 году, нацисткой верхушке Германии был продемонстрирован вертолёт поперечной схемы располажения винтов, машина произвела вполне управляемый полёт внутри стадиона, но от использования её, как оружия возмездия, отказались. Появле­ние в 1940 г. принципиально нового проек­та вертолета VS-300 Игоря Сикорского (ко­торый начал работать над вертолетами в 1907 г.), дало толчок быстрому развитию этого направления авиационной техники. В настоящее время вертолеты различных ко» фигурации стали широко распространенны­ми летательными аппаратами.

ДОСТОИНСТВА

Основным достоинством несущего винта является то, что он создает подъемную силу, которая не зависит от поступатель­ного движения летательного аппарата. Ве­личина мощности на единицу массы (тяговооруженность) для вертолета остается приблизительно такой же, как и для обыч­ного самолета. Удельная нагрузка на кры­ло вертолета не определяется площадью крыла (роль которого в данном случае играют лопасти) и зависит от удельной нагрузки на сметаемую винтом площадь. Эта величина равна массе летательного аппарата, отнесенной к площади, ометаемой винтом.

Следующим важным достоинством вер­толета является его способность неподвиж­но висеть над выбранной точкой мест­ности, что имеет важное значение при на­блюдении, загрузке или разгрузке в таких местах, где самолеты не могут совершать посадку и т. п. О специфике применения вертолетов можно написать целые книги.

Не требуя поступательной скорости на взлете и некоторых режимах полета, верто­лет обычно не имеет крыла и поверхностей управления. Управление полетом осущест­вляется при помощи несущего винта или нескольких винтов, которые отклоняются в требуемом направлении по командам пилота.

НЕДОСТАТКИ

Как и при любом специализированном применении, достоинства несущего винта сопровождаются существенными недостат­ками. Основным недостатком винта явля­ются сложность его конструкции и, следо­вательно, высокая стоимость разработки и эксплуатации. Несущий винт вертолета не связан непосредственно с двигателем, как это имеет место у самолетов, а приводится через сложную систему редукторов и валов. Лопасти винта крепятся к валу с по­мощью сложного шарнира, обеспечиваю­щего свободное движение ротора относи­тельно вала в вертикальном, боковом и осевом направлениях для изменения шага.

Ресурс основных подвижных узлов вер­толета значительно меньше, чем у анало­гичных узлов самолетов. Стоимость 1 ч эксплуатации вертолета настолько высока, что небольшие коммерческие вертолеты обычно доставляются к месту работы со своих баз при помощи грузовиков, а не перегоняются по воздуху.

Другим специфическим недостатком вер­толетов, с которым столкнулись уже пер­вые разработчики, является тенденция фю­зеляжа вращаться (в схеме с одним несущим винтом). Для парирования этого эф­фекта уже на первых экспериментальных вертолетах использовалось четное число винтов с противоположным направлением вращения.

Конструктивно решить эту проблему можно двумя путями: применением двух расположенных на некотором расстоянии несущих винтов с противоположным на­правлением вращения (иногда они распола­гаются с взаимным перекрытием или за­зором) или противоположным вращением двух винтов, расположенных на одной оси (соосная схема). Недостатками обеих схем являются повышенные масса, стоимость и сложность конструкции.

Эта проблема оригинально была реше­на в вертолете Сикорского, построенном по схеме с одним несущим винтом, на ко­тором он применил хвостовой рулевой винт с регулируемым шагом и поперечной горизонтальной осью, отклоняемой по тан­гажу относительно нейтрального положе­ния. При этом винт работал подобно рулю направления самолета, создавая знакопере­менную силу, которая не только парирова­ла момент разворота корпуса вертолета, но и обеспечивала путевое управление. Основ­ным недостатком схемы вертолета с хвос­товым винтом является отдача части мощ­ности силовой установки рулевому винту, тогда как на вертолетах с нескольки­ми несущими винтами вся располагаемая мощность силовой установки расходуется на создание подъемной силы.

АВТОЖИР: БОКОВАЯ ЛИНИЯ РАЗВИТИЯ

Все разработанные до 1920 г. экспери­ментальные вертолеты не были достаточно эффективными. Некоторые важные усовер­шенствования были реализованы в рамках другой группы летательных аппаратов с несущим винтом, получивших название «автожир».

В 1922 г. испанский конструктор Хуан де Сьерва объединил несущий винт верто­летного типа с фюзеляжем обычного само­лета, использовав вместо стандартного крыла несущий винт. Винт не был жестко связан с двигателем, и его вращение инициировалось набегающим потоком при за­пуске вручную или при пробежке по земле. После этого винт продолжал вращаться в потоке воздуха. Впоследствии для облег­чения раскрутки винта перед взлетом был создан специальный привод от двигателя, который затем использовался для ускоре­ния вращения винта. После отключения двигателя шаг лопастей винта можно было увеличить и использовать избыточную мощ­ность для «подскока» автожира в воздух. Однако автожир, в отличие от вертолета, не в состоянии зависать над местом взлета и должен для продолжения полета сразу же использовать тягу обычного тянущего винта.

Первые образцы автожиров имели руди­ментарное крыло с элеронами для управле­ния по крену; последние конструкции авто­жиров уже не имели крыла и элеронов.

Автожир не взлетает вертикально, одна­ко он в состоянии быстрее набирать высоту по сравнению с самолетом эквивалентных размеров и такой же тяговооруженностью. Кроме того, он может садиться почти вер­тикально; при этом несущий винт работает в режиме парашютирования. Это явление получило наименование авторотации. На германских субмаринах автожир использовался, как разведовательное средство, буксируемое самой подводной лодкой, быстрая сборка которого и демонтаж, способствовали скрытности от охотников за субмаринами. В при­роде существует аналогия авторотации: се­мена клена представляют собой однолопастный несущий винт с высокой частотой вращения относительно центра масс при падении, создающий достаточно большую подъемную силу для существенного тор­можения при снижении. Благодаря замед­ленной скорости снижения ветер может да­леко отнести семя. Набегающий снизу по­ток заставляет винт вращаться даже при очень небольшом угле закрутки, создавая подъемную силу.

Автожир был полностью вытеснен в гражданской и военной авиации вертоле­том и сохранился до наших дней только в качестве летательного аппарата для раз­влечений любителей воздухоплавания. Од­нако в истории авиации он имел огромное значение, так как с ним связаны идеи из­меняемого шага винта и лопасти с изменяе­мым углом установки, а также общая ком­поновка и аэродинамическая схема, кото­рые позволили успешно разработать верто­лет. Фактически он указал другим изобре­тателям дальнейшее направление развития вертолетов.