Пилотирование вертолета

Глава I ВИНТОКРЫЛЫЕ ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ

Прежде чем начинать обучение полетам на вертолете и говорить об особенностях этих полетов, необходимо ознакомиться с устройством вертолета и принципом его полета.

Само название «винтокрылый» говорит о том, что крыло у вертолета выполнено в виде винта или винт заменяет собой крыло.

Известно, что всякий самолет имеет жестко закрепленное на фюзеляже крыло, которое при движении самолета в воздушной среде с достаточно большой скоростью создает подъемную силу, необходимую для полета.

Воздух при обтекании крыла движущегося самолета изменяет направление своего движения; это явление называется скосом потока (рис. 1).

Рис. 1. Схема возникновения подъемной силы у самолета

Возникающая при этом аэродинамическая сила, направленная вверх, позволяет самолету преодолеть земное притяжение и оторваться от поверхности земли. Величина этой силы Y зависит от площади и профиля крыла самолета, плотности воздуха и квадрата скорости движения самолета и может быть выражена общеизвестной формулой

Y = C_y∙S∙ρV²/2,

где S — площадь крыла в м²;

ρV²/2 — скоростной напор в кг/м²;

C_y — коэффициент подъемной силы.

Следовательно, самолет может летать, двигаясь только поступательно. Из формулы видно, что с уменьшением скорости полета резко уменьшается подъемная сила крыла.

При некоторой скорости полета, называемой минимальной, полет еще возможен, но на скорости ниже минимальной полет самолета уже невозможен, так как подъемная сила крыла при этом будет меньше веса самолета.

Поэтому перед взлетом самолет должен совершать разбег для достижения необходимой скорости. Приземление самолета происходит также с определенной поступательной скоростью.

Современные самолеты, имеющие максимальные скорости полета, приближающиеся к скорости звука, а тем более превышающие ее, обладают достаточно большими минимальными скоростями, вследствие чего для обеспечения взлета и посадки этих самолетов требуются взлетно-посадочные полосы длиной до 4 км.

Винтокрылые летательные аппараты — автожир и вертолет — в отличие от самолета имеют крылья не жестко закрепленные к фюзеляжу, как у самолета, а в виде лопастей винтов, вращающихся в горизонтальной плоскости. Следовательно, принцип получения подъемной силы у винтокрылых аппаратов тот же, что и у самолета: перемещение профилированного крыла относительно воздушной среды.

Такое конструктивное изменение летательного аппарата при одинаковом принципе создания подъемной силы позволяет получать подъемную силу, необходимую для полета, у неподвижного летательного аппарата при вращении его винта.

Наличие вращающихся крыльев — несущего винта — у вертолета (к автожирам, как мы увидим далее, это относится в меньшей степени) по сравнению с неподвижным жестко закрепленным крылом у самолета сообщает ему совершенно новое качество — возможность производить взлет и посадку без разбега и пробега, неподвижно висеть в воздухе и двигаться в любую сторону.

Остановимся на различиях между вертолетом и автожиром. Внешне эта летательные аппараты очень похожи, так как имеют одинаковые несущие винты.

Двигатель вертолета при помощи силовой передачи — трансмиссии — вращает несущий и рулевой винты (на одновинтовом, вертолете). Несущий винт, отбрасывая вниз с какой-то скоростью определенную массу воздуха, создает тягу, направленную вверх. Если диск несущего винта вертолета наклонен вперед, то и его тяга, всегда перпендикулярная к диску винта, наклонится вперед («рис. 2).

Рис. 2. Схема возникновения подъемной силы у вертолета

Горизонтальная составляющая ее будет продвигать вертолет вперед, преодолевая сопротивление воздуха, а вертикальная составляющая будет уравновешивать вес вертолета.

У автожира, который, как мы уже упоминали, очень похож на вертолет, двигатель вращает обычный винт самолетного типа, который двигает автожир вперед. Несущий винт автожира вращается под действием набегающего потока воздуха на так называемом режиме самовращения (авторотации). Следовательно, для полета автожира, как и самолета, обязательно поступательное движение вперед.

У вертолета и автожира, так же как и у самолета, подъемная сила создается за счет изменения направления движения набегающего воздуха, т. е. за счет скоса потока вниз.

Работа несущих винтов вертолета и автожира совершенно различна. Если у вертолета к несущему винту подводится почти вся мощность двигателя и поток воздуха прокачивается через диск несущего винта сверху вниз, то у автожира вся мощность двигателя передается на тянущий (толкающий) винт, а несущий винт вращается набегающим потоком воздуха, проходящим через диск несущего винта снизу вверх (рис. 3).

Рис. 3. Схема возникновения подъемной силы у автожира

Несмотря на свое внешнее сходство с вертолетом, автожир в действительности более близок к самолету, так как может летать только с поступательной скоростью; висеть в воздухе, подобно вертолету, он не может. В свою очередь, не имея особых преимуществ перед самолетом, автожир распространения не получил.

Автожир в свое время явился своеобразной переходной машиной от самолета к вертолету. Авиационные конструкторы, работая над автожирами, накопили большой опыт в вопросах конструирования, аэродинамики и эксплуатации несущих винтов. Таким образом, автожиры сыграли определенную положительную роль в создании современных вертолетов.

В дальнейшем на автожирах больше останавливаться не будем.

Знакомство с вертолетами целесообразно начинать с наиболее простого вертолета одновинтовой схемы, предложенной Б. Н. Юрьевым еще в 1910 г.

Вертолет с одним несущим винтом и двигателем, расположенным в фюзеляже, нуждается в специальном устройстве для компенсации реактивного момента несущего винта. Напомним немного о реактивном моменте. Если человек прыгает из лодки на берег, то лодка отплывает от берега. Это происходит в строгом соответствии с третьим законом Ньютона — действие равно противодействию.

Подобное явление происходит с фюзеляжем вертолета при вращении несущего винта двигателем, установленным в фюзеляже: какой крутящий момент передается через трансмиссию несущему винту, такой же по величине крутящий момент, но обратный по знаку, т. е. реактивный, стремится вращать фюзеляж вертолета в сторону, обратную вращению несущего винта.

Пока вертолет находится на земле, реактивный момент его винта уравновешивается моментом силы трения шасси о земную поверхность. После взлета вертолета, когда прекращается его связь с землей, для предотвращения вращения фюзеляжа под действием реактивного момента необходима установка специального устройства.

На одновинтовых вертолетах чаще всего для компенсации реактивного момента несущего винта на специальной хвостовой балке устанавливается дополнительный небольшой винт, называемый хвостовым, или рулевым, винтом, тяга которого горизонтальна и перпендикулярна к продольной оси вертолета и создает момент, уравновешивающий реактивный момент несущего винта (рис. 4).

Рис. 4. Одновинтовой вертолет с хвостовым винтом

Установка дополнительного рулевого винта, отбирающего часть мощности у двигателя вертолета и вместе с тем не дающего ни подъемной силы, ни тяги, направленной вперед, является некоторым недостатком этой схемы вертолета.

Для устранения этого недостатка на некоторых одновинтовых вертолетах компенсационный винт располагают так, чтобы его тяга была направлена вперед (рис. 5).

Рис. 5. Одновинтовой вертолет с компенсационным винтом, создающим тягу вперед

С точки зрения рациональности конструкции более выгодными являются многовинтовые вертолеты, т. е. вертолеты с несколькими несущими винтами. На многовинтовых вертолетах реактивные моменты несущих винтов могут быть взаимно уравновешены за счет противоположного их вращения или соответствующим наклоном их плоскостей вращения.

Рассмотрим существующие схемы вертолетов с двумя несущими винтами. В настоящее время известны четыре схемы вертолетов с двумя несущими винтами, или, как их часто называют, двухвинтовые вертолеты.

Первая схема двухвинтового вертолета — соосного типа с винтами противоположного вращения (рис. 6).

Рис. 6. Двухвинтовой вертолет с соосными винтами противоположного вращения

Достоинствами вертолета этого типа являются:

— минимальные габаритные размеры;

— сравнительная простота трансмиссии;

— относительно малый вес конструкции.

Недостатками вертолета этого типа следует считать:

— ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов из-за их взаимного влияния на различных режимах полета;

— сравнительно большую высоту вертолета вследствие большого расстояния между винтами;

— недостаточную управляемость в путевом отношении при планировании на режиме самовращения несущих винтов.

Вертолеты подобного типа строились как с шарнирно подвешенными ко втулке лопастями винтов, так и с лопастями, жестко закрепленными на ней.

Следующий тип двухвинтового вертолета — это вертолет с несущими винтами, расположенными по бокам фюзеляжа, или вертолет поперечной схемы (рис. 7).

Рис. 7. Двухвинтовой вертолет поперечной схемы

Достоинствами такой схемы вертолета являются:

— высокий коэффициент полезного действия несущих винтов вследствие отсутствия их взаимного влияния;

— наиболее выгодная схема с точки зрения устойчивости и управляемости вследствие полной аэродинамической симметрии.

К недостаткам этой схемы следует отнести:

— сложную трансмиссию;

— повышенный вес конструкции;

— повышенное лобовое сопротивление.

Вертолеты подобного типа строились как с шарнирными, так и с жесткими лопастями несущих винтов, а также как с полностью разнесенными несущими винтами (в этом случае расстояние между осями винтов превышало их диаметр), так и с частично перекрывающимися винтами (в этом случае расстояние между их осями было меньше диаметра).

Третий тип двухвинтового вертолета можно считать средним между соосной и поперечной схемами. Это вертолет с несущими винтами, расположенными по бокам фюзеляжа с очень большим перекрытием; расстояние между втулками винтов составляет менее одной десятой диаметра винта. Лопасти одного винта проходят над втулкой соседнего винта за счет значительного наклона осей винтов во внешние стороны (рис. 8). Этот тип называют вертолетом с перекрещивающимися винтами.

Рис. 8. Двухвинтовой вертолет с перекрещивающимися винтами

Вертолет такой схемы обладает многими положительными свойствами вертолетов соосной и поперечной схем и в то же время свободен от большинства их недостатков.

Так, например, положительными качествами являются:

— минимальные габаритные размеры;

— простая и легкая трансмиссия;

— малый вес конструкции;

— симметричность в отношении аэродинамики.

К недостаткам этого типа вертолетов следует отнести лишь уменьшение коэффициента полезного действия несущих винтов вследствие взаимного влияния их друг на друга.

Эта схема может найти широкое применение при строительстве легких и средних вертолетов.

Самым интересным и перспективным типом двухвинтового вертолета является вертолет продольной схемы (рис. 9).

Рис. 9. Двухвинтовой вертолет продольной схемы

Положительными сторонами этой схемы вертолета являются:

— малое лобовое сопротивление;

— относительно малый вес конструкции;

— большой объем грузового помещения;

— большой допустимый диапазон эксплуатационных центровок.

К недостаткам вертолета продольной схемы относятся:

— некоторое уменьшение коэффициента полезного действия заднего несущего винта;

— некоторая несимметричность устойчивости и управляемости в путевом отношении;

— сложная трансмиссия.

Двухвинтовые двухмоторные вертолеты продольной схемы найдут широкое применение в качестве тяжелых грузовых и пассажирских вертолетов, так как они имеют большой полезный объем фюзеляжа, широкий диапазон допустимых эксплуатационных центровок и, самое главное, безопасны в полете в случае отказа одного из двигателей.

В качестве сверхтяжелых вертолетов наиболее выгодными, как это доказал теоретически академик Б. Н. Юрьев, являются вертолеты с большим числом несущих винтов, т. е. многовинтовые вертолеты (рис. 10). Количество несущих винтов у них может быть 4, 6 и более. Серьезным недостатком многовинтовых вертолетов при современном развитии техники являются большой вес и сложность трансмиссии.

Рис. 10. Многовинтовой вертолет

Из всех перечисленных схем вертолетов наибольшее распространение во всем мире получили одновинтовые вертолеты с хвостовым винтом схемы академика Б. Н. Юрьева.

Известны хорошо летающие одновинтовые вертолеты:

— в Советском Союзе — конструкторов А. С. Яковлева (рис. 11) и М. Л. Миля (рис. 12 и 13);

Рис. 11. Одновинтовой вертолет А. С. Яковлева "Як-100"

Рис. 12. Одновинтовой вертолет М. Л Миля Ми-1

Рис. 13. Одновинтовой вертолет М. Л. Миля "Ми-4"

— в США — фирм Белл, Хиллера и Сикорского (рис. 14);

Рис. 14. Одновинтовой вертолет Сикорского "S-55"

— в Англии — Бристоль 171 (рис. 15).

Рис. 15. Одновинтовой вертолет Бристоль 171 "Мк-4"

Из двухвинтовых вертолетов «поперечной схемы известны вертолеты:

— в Советском Союзе — конструктора И. П. Братухина;

— в США — фирм Мак-Доннел и Платт ла-Пейдж (рис. 16);

Рис. 16. Двухвинтовой вертолет поперечной схемы Платт ла-Пейдж "XR-I"

— в Германии — Фокке-Вульф (рис. 17).

Рис. 17. Двухвинтовой вертолет поперечной схемы Фокке-Вульф "FW-61"

Из двухвинтовых вертолетов продольной схемы известны вертолеты:

— в Советском Союзе — конструктора А. С. Яковлева (рис. 18);

Рис. 18. Двухвинтовой вертолет продольной схемы А. С. Яковлева («Летающий вагон»)

— в США — фирмы Пясецкого (рис. 19);

Рис. 19. Двухвинтовой вертолет продольной схемы Пясецкий "УН-16"

— в Англии — Бристоль 173 (рис. 20).

Рис. 20. Двухвинтовой вертолет продольной схемы Бристоль 173 "Мк-2"

Из двухвинтовых вертолетов соосной схемы известны:

— в Советском Союзе — конструктора Н. И. Камова (рис. 21);

Рис. 21. Двухвинтовой соосный вертолет Н. И. Камова "Ка-10"

— в США — фирмы GCA (рис. 22).

Рис. 22. Двухвинтовой соосный вертолет "GCA-2c"

Из двухвинтовых вертолетов с перекрещивающимися винтами известны:

— в США — Каман (рис. 23);

Рис. 23. Двухвинтовой вертолет с перекрещивающимися винтами Каман

— в Германии — Флетнер (рис. 24).

Рис. 24. Двухвинтовой вертолет с перекрещивающимися винтами Флетнер "F1-282"

Из многовинтовых вертолетов известен только один вертолет с тремя несущими винтами конструктора Сиерва в Англии (рис. 25).

Рис. 25. Многовинтовой вертолет Сиерва («Воздушная лошадь»)

Рассматривая существующие типы вертолетов, мы остановились лишь на вертолетах с одним или с несколькими двигателями, установленными в фюзеляже и связанными с несущим винтом специальной трансмиссией.

Вертолеты с двигателями в фюзеляже, помимо большого веса и сложности конструкции вследствие необходимости установки специальной передачи от двигателя к винту, обладают, как мы видели ранее, и реактивным моментом, уравновешивание которого требует специальных мер.

Существуют, однако, вертолеты, не имеющие трансмиссии. Это вертолеты с двигателями, установленными непосредственно на несущем винте (рис. 26).

Рис. 26. Вертолет с реактивным приводом несущего винта (двигатели на концах лопастей)

Положительными качествами вертолетов такого типа являются:

— меньший вес и простота конструкции вследствие отсутствия трансмиссии;

— отсутствие реактивного момента несущего винта, что также упрощает конструкцию вертолета, так как передающийся в этом случае на фюзеляж вертолета момент трения в подвеске несущего винта, стремящийся вращать фюзеляж в сторону вращения несущего винта, неизмеримо меньше реактивного момента.

Недостатками вертолетов такого типа являются:

— ухудшение условий работы несущего винта из-за установки на нем двигателей;

— большой расход топлива в случае установки на несущем винте реактивных двигателей.

Из построенных вертолетов этого типа следует упомянуть вертолет с винтомоторной установкой на несущем винте Бенсен Б-4 Скай-Скутер (рис. 27), построенный в США, и вертолет с реактивными двигателями на лопастях несущего винта, построенный в Советском Союзе (рис. 28); в США — Хиллер-Хорнет (рис. 29) и Хьюз (рис. 30).

Рис. 27. Одновинтовой вертолет Бенсен Б-4 Скай-Скутер

Рис. 28. Отечественный реактивный вертолет с пульсирующими двигателями

Рис. 29. Одновинтовой реактивный вертолет Хиллер-Хорнет

Рис. 30. Одновинтовой реактивный вертолет-кран Хьюз "ХН-17"

Рассмотрим подробнее устройство одновинтового вертолета и принцип его полета.

Одновинтовой вертолет, как и всякий летательный аппарат, имеет фюзеляж, в котором размещаются летчик, пассажиры, грузы, двигатель с трансмиосией, топливо, спецоборудование и т. д. (рис. 31).

Рис. 31. Устройство одновинтового вертолета:

_{1 — фюзеляж; 2 — несущий винт; 3 — рулевой винт; 4 — двигатель; 5 — главный редуктор; 6 — трансмиссия; 7 — кабина вертолета}

Над передней частью фюзеляжа расположен трехлопастный несущий винт вертолета, а на специальной хвостовой балке — также трехлопастный рулевой винт.

Двигатель вертолета при помощи трансмиссии вращает несущий и рулевой винты.

Лопасти несущего винта, перемещаясь при вращении винта относительно воздушной среды, создают подъемную силу, направленную вверх. Реактивный момент, как уже указывалось, уравновешивается моментом тяги рулевого винта.

Для взлета вертолета летчик при помощи управления вертолетом увеличивает мощность и обороты двигателя, при этом одновременно увеличиваются на одинаковую величину и установочные углы всех трех лопастей несущего винта (общий шаг винта), тяга несущего винта возрастает, и, когда она превысит вес вертолета, он плавно оторвется от земли и начнет вертикально набирать высоту.

Набрав заданную высоту, летчик, воздействуя на несущий винт при помощи управления, может наклонить плоскость его вращения в нужную сторону. Тяга несущего винта, будучи всегда перпендикулярной к плоскости его вращения, наклонится в ту же сторону, и вертолет начнет перемещаться в этом направлении. Изменяя тягу рулевого винта при помощи педалей ножного управления, летчик может заставить вертолет разворачиваться в нужную сторону. Более подробно на работе винтов мы остановимся ниже. Для снижения вертолета и его посадки летчик убавляет мощность двигателя и общий шаг винта; уменьшение подъемной силы несущего винта приводит к снижению вертолета. Посадка, как правило, производится вертикально без поступательного перемещения. Такая посадка позволяет в целях облегчения веса вертолета и упрощения конструкции делать шасси его без колес. На некоторых легких вертолетах встречается шасси полозкового или баллонного типа.

Шасси баллонного типа, помимо облегчения вертолета, делает его универсальным, позволяя производить посадку как на сушу, так и на воду. Полозковое шасси повышает безопасность приземления на неровной поверхности. Описываемый одновинтовой вертолет имеет обычное трехколесное шасси с носовым ориентирующимся колесом. Такое шасси обеспечивает возможность руления вертолета по достаточно ровной поверхности.

Основной и главной частью вертолета является несущий винт.

На самолете, имеющем винтомоторную установку, винт выполняет только одну задачу — он создает тягу, необходимую для преодоления сопротивления воздуха и продвижения самолета вперед. Подъемную силу, необходимую для полета самолета, создает крыло. Управляется самолет при помощи элеронов, руля высоты и руля направления. Следовательно, на самолете каждая его часть выполняет хотя и очень важные, но узкие функции, и в случае отказа любой из них нормальный полет самолета становится невозможным.

Несущий винт вертолета создает подъемную силу, необходимую для полета вертолета. Тяга несущего винта, наклоняемого летчиком в любую сторону, не только создает тягу в ту же сторону, но и дает эффект, аналогичный действию руля высоты или элеронов на самолете. Только повороты вертолета относительно его вертикальной оси производятся при — помощи рулевого винта.

Таким образом, видно, что несущий винт, помимо создания подъемной силы, выполняет функции руля высоты, элеронов и тянущего винта, следовательно, он является самой важной и ответственной частью вертолета.

С этой точки зрения вертолет является более совершенным летательным аппаратом по сравнению с любым самолетом.

Необходимо отметить, что лопасти несущего винта вертолета работают в несколько иных условиях, чем крыло самолета.

Если все точки крыла самолета встречают поток воздуха, имеющий одну и ту же скорость, то элементы лопасти вращающегося несущего винта вертолета обтекаются воздухом с различной скоростью. Величину окружной скорости элемента лопасти можно определить по формуле

V_{окр. эл} = n∙2π∙R_э/60

где V_{окр. эл} — окружная скорость элемента лопасти в м/сек;

n — число оборотов несущего винта в минуту;

R_э — радиус положения элемента лопасти в м.

Однако окружная скорость на конце лопасти несущего винта вертолета не должна превышать 0,7–0,8 скорости звука, т. е. 220–270 м/сек, так как при большей скорости резко возрастают потери на винте, а следовательно, уменьшается его коэффициент полезного действия.

Вместе с тем очень выгодно иметь несущие винты наибольшего диаметра, так как при этом резко возрастает их коэффициент полезного действия вследствие увеличения площади, ометаемой лопастями, и уменьшения нагрузки на квадратный метр этой площади.

Если у самолетов важно сохранять в определенных пределах нагрузку на квадратный метр площади крыла, которая определяется по формуле

p = G_пол/S_кр,

где р — нагрузка на площадь крыла в кг/м²;

G_пол — полетный вес самолета в кг;

S_кр — площадь крыла самолета в м²,

то у вертолетов принято определять нагрузку на квадратный метр ометаемой несущим винтом площади, которая равна

p = G_пол/π∙R²∙K

где р — нагрузка на ометаемую площадь в кг/м²;

G_пол — полетный вес вертолета в кг;

R — радиус несущего винта в м;

К — коэффициент, равный 0,9 ÷ 0,92.

Следует иметь в виду, что при определении нагрузки на ометаемую винтом площадь необходимо брать не геометрическую F_геом, а эффективную F_эф площадь винта, которая меньше геометрической вследствие потерь на несущем винте. Комлевые потери несущего винта происходят из-за малых скоростей элементов лопастей у комля, а также из-за того, что середина винта занята втулкой. Концевые потери возникают за счет волнового сопротивления концевой части лопасти и перетекания потока у конца снизу вверх. Отношение эффективной площади несущего винта к его геометрической площади равно

K = F_эф/F_геом = 0,9 ÷ 0,92

Обычно на хорошо летающих вертолетах нагрузка на квадратный метр ометаемой винтом площади имеет следующие значения:

— для легких вертолетов — 11–15 кг/м²;

— для тяжелых вертолетов — 18–23 кг/м².

Диаметр несущих винтов на двух-трехместных вертолетах достигает 10–15 м, на средних вертолетах — 17–20 м, а на тяжелых вертолетах — 20–25 м и более.

Отношение площади всех лопастей несущего винта к ометаемой площади принято называть коэффициентом заполнения (σ), величина которого у современных вертолетов колеблется в пределах 0,03—0,08.

У всех, кто в первый раз видел вертолет с остановленным несущим винтом, закрадывалось сомнение: могут ли узкие и гибкие лопасти несущего винта, на вид такие непрочные, быть надежной опорой для такой тяжелой машины, как вертолет, тем более что они закреплены на втулке винта не жестко, а при помощи шарниров.

Однако эти опасения совершенно неосновательны.

Лопасть неподвижного несущего винта вертолета очень гибка. Опираясь на нижний упор втулки под действием только своего веса, она, сильно изогнувшись, свешивается вниз.

В таком состоянии она не способна удержать вес даже одного человека. Зато лопасть вращающегося несущего винта, растянутая огромной центробежной силой, которая на рассматриваемом вертолете достигает 9 г, а на тяжелых вертолетах может превышать 20 т, превращается в прочное, упругое и надежное крыло.

Схемы сил, действующих на одну из лопастей несущего винта в вертикальной плоскости и плоскости вращении, приведены на рис. 32; на векторах сил указаны примерные их значения, так как изображение их в одном масштабе потребовало бы большого размера рисунка.

Рис. 32. Схема сил, действующих на лопасть несущего винта вертолета:

_{1 — подъемная сила; 2 — сила веса лопасти; 3 — центробежная сила; 4 — кориолисовы силы}

Угол β называется углом конусности и для каждого типа вертолета зависит в основном от оборотов несущего винта и полетного веса вертолета. Следует напомнить, что, как показали специальные летные исследования, более гибкая лопасть несущего винта и в то же время достаточно жесткая на кручение испытывает в полете меньшие напряжения, имея большее аэродинамическое качество, чем такая же, но более жесткая лопасть.

Кроме того, известно, что аэродинамическое качество лопасти в сильной степени зависит от состояния ее поверхности, формы в плане и геометрической закрутки. Чем глаже поверхность лопасти, тем выше ее качество. Трапециевидные в плане лопасти, так же как крылья самолета, с сужением 2–2,5 и с отрицательной на конце геометрической закруткой имеют качество на 10–12 % выше, чем прямоугольные в плане незакрученные лопасти (рис. 33).

Рис. 33. Зависимость относительного коэффициента полезного действия несущего винта от формы лопасти и качества ее поверхности

Ознакомимся подробнее с работой несущего винта.

Первые вертолеты, имевшие несущие винты с жестко закрепленными на втулке лопастями, могли неподвижно висеть у земли при безветрии. При первой же попытке начать поступательное движение вертолет начинал крениться; с увеличением скорости крен резко возрастал и вертолет либо прекращал движение, либо опрокидывался.

Происходило это вследствие разности подъемных сил на левой и правой половинах несущего винта с жестко закрепленными лопастями при наличии поступательной скорости.

На рис. 34 изображено поле скоростей несущего винта вертолета при полете с поступательной скоростью.

Рис. 34. Поле скоростей несущего винта при полете с поступательной скоростью (вид сверху)

Примем, что окружная скорость концов лопастей несущего винта равна 210 м/сек, а скорость полета вертолета — 40 м/сек, тогда в зависимости от азимутального положения лопасти скорость набегающего на лопасть потока будет Меняться от V_max = 250 м/сек до V_min = 170 м/сек. Как известно, подъемная сила элемента лопасти равна

Y_эл = с_у∙S_э∙ρ∙V²_э/2

Нетрудно подсчитать, что подъемная сила левой половины несущего винта с жестко закрепленными во втулке лопастями в данном случае будет в 2,15 раза больше, чем подъемная сила правой половины, что неминуемо приведет к опрокидыванию вертолета.

Проследим, как работает в полете с поступательной скоростью одна из лопастей несущего винта вертолета на шарнирной подвеоке. Начнем с азимута 0°. В этой точке скорость конца лопасти относительно воздуха можно принять равной V_окр = ω∙R. в нашем случае 210 м/сек. Двигаясь дальше при вращении несущего винта, эта лопасть начинает обдуваться встречным потоком воздуха и в азимутальной точке 90° будет иметь скорость относительно воздуха 250 м/сек. Это максимальная скорость лопасти относительно воздуха. Условимся лопасть, идущую от азимутальной точки 0° к азимутальной точке 180°, называть наступающей лопастью, а идущую от азимутальной точки 180° к точке 0° через 270° — отступающей лопастью.

Подъемная сила у наступающей лопасти при отходе ее от точки 0° начинает увеличиваться вследствие роста скорости обтекания воздуха. Равновесие сил на лопасти нарушится, и увеличившаяся подъемная сила начнет поднимать лопасть вверх, поворачивая ее около оси горизонтального шарнира (рис. 35).

Рис. 35. Схема появления кориолисовой силы при взмахе лопасти несущего винта вверх

Одновременно вследствие возрастания лобового сопротивления наступающая лопасть начнет отставать от вращающейся втулки винта, поворачиваясь около вертикального шарнира в сторону заднего упора.

Однако подъем лопасти вверх и поворот ее назад будут очень небольшими вследствие мощного стабилизирующего влияния центробежной силы лопасти, устойчиво фиксирующей ее в пространстве.

Кроме того, при подъеме лопасти вверх из ее среднего положения вследствие уменьшения радиуса вращения центра тяжести лопасти на ней возникнет кориолисова сила К₁, направленная в сторону вращения (см. рис. 35).

Кориолисовы силы возникают в соответствии с законом сохранения энергии во всех тех случаях, когда у вращающегося тела изменяется разнос масс относительно оси вращения; при приближении вращающихся масс к оси вращения обороты тела возрастают, при удалении — уменьшаются.

Так, например, висящий под куполом цирка акробат, начав медленное вращение с разведенными в стороны руками и ногами, после их сведения так быстро начинает вращаться, что вызывает удивление и восхищение зрителей; парашютист, выполняя затяжной прыжок, в случае начавшегося вращения разбрасывает в стороны руки и ноги, прекращая этим опасное вращение (рис. 36). В обоих приведенных примерах показано умелое использование кориолисовых сил.

Рис. 36. Примеры использования кориолисовых сил

Но вернемся опять к лопасти вращающегося несущего винта вертолета и проследим за изменением аэродинамических <и других сия, действующих на нее, а также за движением лопасти в пространстве за один оборот винта.

Итак, наступающая лопасть под действием возросшей подъемной силы за счет увеличения скорости обтекания начинает совершать взмах вверх от своего нейтрального положения.

В результате появления вертикальной скорости перемещения лопасти угол атаки сечения лопасти уменьшится, при этом снизится рост появившейся избыточной подъемной силы, а так как лопасть поводковым механизмом связана с автоматом-перекосом, положение которого будем считать неизменным, то при взмахе лопасти вверх уменьшится и ее установочный угол, что еще более уменьшит избыточную подъемную силу. Несмотря на это, подъемная сила вследствие роста скорости будет увеличиваться вплоть до азимутальной точки 90°, в которой скорость перемещения лопасти вверх достигнет своего максимума.

При дальнейшем вращении лопасти после точки 90°, несмотря на падение величины избыточной подъемной силы, лопасть все же будет продолжать движение вверх, но с убывающей скоростью. Своего верхнего положения лопасть достигнет, несколько пройдя азимутальную точку 180° вследствие сил инерции.

Став теперь отступающей лопастью, скорость обтекания которой становится меньше окружной скорости, она вследствие уменьшения подъемной силы и под действием центробежной силы и силы веса начнет движение вниз. При этом угол атаки ее сечения возрастет за счет вертикальной скорости движения вниз, а также за счет увеличения установочного угла лопасти по причине воздействия поводкового механизма автомата-перекоса.

Эти процессы будут поддерживать подъемную силу отступающей лопасти.

В азимутальной точке 270° скорость обтекания лопасти воздушным потоком будет наименьшей. Вертикальная скорость движения лопасти вниз будет иметь наибольшее значение. Низшее положение при взмахе вниз лопасть займет, несколько пройдя точку 0°.

Напомним, что кориолисова сила К₂ у опускающейся лопасти в силу увеличения радиуса вращения ее центра тяжести будет направлена против вращения винта.

На рис. 37 показаны изменение углов атаки лопасти несущего винта за один его оборот и схема сил, действующих на элемент лопасти в четырех азимутальных точках.

Рис. 37. Схема сил и изменение углов атаки лопасти за один ее оборот

На рис. 38 показано изменение установочного угла лопасти под воздействием поводкового механизма автомата-перекоса, называемого регулятором взмаха. Характеристики регулятора взмаха зависят от tg σ₁ = b/a и для существующих вертолетов находятся в пределах от 0 до 1.

Рис. 38. Схема действии регулятора взмаха

Рассмотрим, как устроен несущий винт одновинтового вертолета. Он состоит из втулки и трех шарнирно подвешенных к ней лопастей.

Втулка винта изготовлена из высококачественной стали и укреплена на верхнем выходном валу главного редуктора при помощи шлиц и специальной гайки.

Каждая лопасть подвешена к втулке на трех шарнирах. Горизонтальный шарнир (с горизонтальной осью) обеспечивает колебания лопасти в вертикальной плоскости.

Колебания лопасти относительно горизонтального шарнира ограничиваются верхним и нижним упорами. Верхнего упора лопасть никогда не касается, а на нижний она опирается при неподвижном винте, поэтому этот упор иногда называют ограничителем свеса лопасти (рис. 39).

Рис. 39. Подвеска лопасти:

_{1 — горизонтальный шарнир; 2 — нижний упор; 3 — вертикальный шарнир; 4 — фрикционный демпфер; 5 — осевой шарнир; 6 — поводок автомата-перекоса}

Вертикальный шарнир обеспечивает колебания лопасти в горизонтальной плоскости, вернее в плоскости вращения. Колебания лопасти в плоскости вращения ограничиваются передним и задним упорами. Кроме того, для гашения колебаний лопасти в плоскости вращения на вертикальном шарнире установлен фрикционный демпфер. Дело в том, что жесткость лопасти в этой плоскости гораздо большая, чем в вертикальной, и при отсутствии демпфера возможны удары лопасти об ограничители, что неизбежно привело бы к ее поломке, особенно при раскрутке трансмиссии, когда центробежная сила лопасти очень мала.

Осевой шарнир дает возможность поворачивать лопасть относительно ее продольной оси, изменяя при этом установочный угол, или, как принято говорить, ее шаг.

Повороты лопасти относительно осевого шарнира выполняются поводковым механизмом автомата-перекоса.

Основной силовой деталью лопасти является стальной лонжерон, представляющий собой тонкостенную трубу переменного сечения, изготовленную из высококачественной стали.

На этой трубе при помощи специальных розеток-хомутиков закреплены деревянные нервюры. К нервюрам приклеивается покрытие, состоящее из особой фанеры, которая сверху покрывается авиаполотном и окрашивается.

В носовой части лопасти проходит мощный носовой стрингер из облагороженной древесины и установлен специальный металлический противовес, исключающий возникновение флаттера лопасти при больших скоростях (рис. 40). На поверхности передней кромки установлен противообледенитель.

Рис. 40. Устройство лопасти несущего винта:

_{1 — лонжерон; 2 — розетка; 3 — нервюра; 4 — носовой стрингер; 5 — противовес; 6 — обшивка; 7 — хвостовой стрингер}

Задняя кромка лопасти для уменьшения жесткости лопасти в плоскости вращения разрезана в двух местах. Эти разрезы заклеены кожей и называются кожаными замками.

Рулевой винт вертолета только на висении работает так же, как винт самолета, т. е. в осевом потоке. В поступательном же полете рулевой винт обдувается косым потоком.

Чтобы при этом винт работал нормально и в его конструкции не возникали бы дополнительные опасные напряжения, его лопасти подвешены ко втулке шарнирно — каждая на двух шарнирах.

По аналогии с несущим винтом можно сказать, что лопасти рулевого винта имеют горизонтальные шарниры, позволяющие его лопастям совершать колебания в плоскостях, перпендикулярных к плоскости вращения винта, и осевые шарниры, которые дают возможность изменять установочные углы лопастей.

Лопасти рулевого винта изготовлены целиком из дерева, лонжерон и передняя кромка — из облагороженной древесины, а задняя, хвостовая часть — из специально облегченного заполнителя. Сверху лопасть оклеена фанерой, полотном и несколько раз окрашена.

Лопасти несущего и рулевого винтов такой конструкции исключительно надежны в работе и дешевы в изготовлении. Единственным их недостатком является подверженность воздействию влаги, поэтому на вертолетах последних конструкций лопасти винтов изготавливаются цельнометаллическими.

Управление одновинтового вертолета состоит из трех систем: управления несущим винтом, управления рулевым винтом и управления двигателем.

Управление несущим винтом осуществляется при помощи автомата-перекоса ручкой управления обычного самолетного типа и рычагом «шаг-газ».

Управление рулевым винтом осуществляется обычными педалями ножного управления.

Управление двигателем выполняется тем же рычагом «шаг-газ», которым управляется и несущий винт.

Остановимся подробнее на устройстве автомата-перекоса.

На рис. 41 показана схема управления автоматом-перекосом от ручки управления и рычага «шаг-газ».

Рис. 41. Схема управления автоматом-перекосом:

_{1 — ручка управления; 2 — рычаг «шаг-газ»; 3 — автомат-перекос; 4 — карбюратор двигателя}

На верхней крышке главного редуктора под втулкой несущего винта находится муфта автомата-перекоса, которая при помощи системы тяг и качалок может перемещаться вверх и вниз при соответствующем перемещении рычага «шаг-газ» (рис. 42). В верхней части этой муфты расположены невращающееся и вращающееся кольца автомата-перекоса.

Рис. 42. Автомат-перекос:

_{1 — муфта; 2 — внутреннее кольцо; 3 — внешнее кольцо; 4 — подшипник; 5 — продольное управление; 6 — поперечное управление; 7 — управление общим шагом; 8 — поводки}

Внутреннее, невращающееся кольцо автомата-перекоса подвешено к муфте на карданном подвесе и системой управления связано с ручкой управления вертолетом.

Внешнее кольцо автомата-перекоса поводками связано с каждой лопастью несущего винта и, кроме того, специальным шарниром соединено со втулкой несущего винта, вследствие чего оно вращается вместе с несущим винтом.

Внешнее, вращающееся кольцо автомата-перекоса при помощи шарикового подшипника соединено с внутренним кольцом.

При движении рычага «шаг-газ» вверх муфта автомата-перекоса также будет перемещаться вверх. Подвешенное к ней внутреннее кольцо автомата-перекоса, поднимаясь вместе с муфтой, поднимет за собой укрепленное на нем внешнее, вращающееся кольцо, которое при помощи поводкового механизма увеличит установочные углы всех трех лопастей несущего винта на одинаковую величину. Тяга несущего винта при этом возрастает и, став больше веса вертолета, начинает перемещать его вертикально вверх.

Увеличение установочных углов лопастей несущего винта принято называть увеличением шага, а систему управления — управлением общим шагом несущего винта.

Чтобы при увеличении общего шага несущего винта не уменьшились его обороты, так как при увеличении общего шага винт становится «тяжелее», одновременно увеличивается и мощность двигателя. При движении рычага «шаг-газ» вверх с увеличением общего шага несущего винта специальный механизм, связанный с рычагом «шаг-газ», одновременно открывает дроссельную заслонку двигателя, увеличивая его мощность. Характеристики этого механизма, выбраны такими, чтобы на всех режимах, высотах и скоростях полета обороты несущего винта и двигателя были неизменными — близкими к номинальным.

Для изменения оборотов несущего винта и двигателя при полетах на дальность или при взлете на форсированном режиме работы двигателя на рычаге «шаг-газ» имеется вращающаяся рукоятка коррекции газа двигателя, при помощи которой летчик имеет возможность при неизменном шаге в незначительных пределах изменять мощность, а следовательно, и обороты двигателя в обе стороны от номинальных.

Рычаг «шаг-газ» именуется так потому, что при его перемещении одновременно изменяются шаг винта и мощность (газ) двигателя.

При движении рычага «шаг-газ» вниз установочные углы, или шаг лопастей несущего винта, будут уменьшаться, при этом уменьшится и мощность двигателя. Следовательно, вертолет начнет снижаться.

В самом нижнем положении рычага «шаг-газ» несущий винт будет переведен на малые установочные углы или на режим самовращения, а двигатель — на режим малых оборотов.

На вертолетах старых конструкций рычаг управления общим шагом несущего винта не был связан с управлением двигателя. Управление шагом винта и газом двигателя на этих вертолетах производилось раздельно, что не только значительно усложняло пилотирование вертолета из-за дополнительного рычага, но и требовало от летчика повышенного внимания к оборотам несущего винта.

Ручка управления вертолетом обычного самолетного типа и ее отклонения, так же как и на самолете, изменяют положение вертолета в пространстве. Но если на самолете отклонения ручки управления изменяют только его положение в пространстве, то на вертолете такое отклонение ручки управления сначала вызывает соответствующий наклон вертолета, а затем поступательное движение его в сторону отклонения ручки.

Отклонение ручки управления вертолетом вперед или назад через систему управления заставляет перекашиваться внутреннее кольцо автомата-перекоса относительно поперечной оси вперед или назад. Внутреннее кольцо, изменившее наклон относительно поперечной оси, через шариковый подшипник наклоняет в ту же сторону внешнее кольцо автомата-перекоса, которое при помощи поводкового механизма изменяет установочные углы лопастей несущего винта. Но изменение установочных углов лопастей в отличие от изменения общего шага производится при этом на различную величину. Так, например, при отклонении ручки управления вперед (рис. 43) автомат-перекос также наклоняется вперед. При этом установочный угол лопасти, проходящей впереди, уменьшается, а проходящей сзади — увеличивается. У лопастей несущего винта, проходящих слева и справа, установочные углы при этом отклонении автомата-перекоса не изменяются.

Рис. 43. Схема действия продольного управления

Если ручка управления некоторое время удерживается в отклоненном положении, то при вращении несущего винта все его лопасти за один оборот соответственно изменяют свои установочные углы. При последующих оборотах изменение установочных углов циклически повторяется, поэтому такой вид управления принято называть управлением циклическим шагом несущего винта.

Циклическое изменение установочных углов лопастей вызывает соответствующие изменения их подъемных сил.

У лопасти, проходящей в данный момент впереди, подъемная сила уменьшается, и под воздействием центробежной силы она опускается, а у лопасти, проходящей в это время сзади, подъемная сила увеличивается, и лопасть взмахивает вверх. Лопасти, проходящие справа и слева, не изменившие своих установочных углов, остаются в исходном положении.

Изменение положения лопастей в пространстве в этом случае приводит к наклону всего диска несущего винта вперед, а поскольку сила тяги винта всегда перпендикулярна к его диску, то она также наклонится вперед.

Если до отклонения ручки управления направление тяги несущего винта проходило через центр тяжести вертолета, то после отклонения ручки управления тяга несущего винта будет проходить в стороне от центра тяжести вертолета, что в свою очередь вызовет появление момента, стремящегося опустить нос вертолета.

Отклонение ручки управления циклическим шагом несущего винта в другие стороны вызовет соответствующий наклон его тяги. Возникающий при этом момент будет наклонять вертолет в сторону отклонения ручки управления циклическим шагом, а горизонтальная составляющая тяги несущего винта — перемещать вертолет в соответствующем направлении.

Управление рулевым винтом производится при помощи педалей (рис. 44). Так, например, при отклонении вперед правой педали ее движение через систему управления, состоящую из тяг, качалок и тросов, передается рулевому винту. Установочные углы его лопастей при этом увеличиваются. Возросшая тяга рулевого винта создает момент больший, чем реактивный момент несущего винта, вращающегося на рассматриваемом вертолете по ходу часовой стрелки, и вертолет начинает разворачиваться вправо.

При движении вперед левой педали реактивный момент несущего винта преодолеет уменьшившийся момент рулевого винта и вертолет будет разворачиваться влево.

Рис. 44. Схема управления рулевым винтом

На одновинтовом вертолете установлен звездообразный поршневой двигатель воздушного охлаждения обычного самолетного типа, поэтому масляная и топливная системы вертолета не отличаются от обычных самолетных. Существенно отличается от самолетной только система охлаждения двигателя и масла.

Так как в полете самолет имеет большую скорость перемещения относительно воздуха, для охлаждения его двигателя, как правило, не требуется специальных устройств.

На вертолете с поршневым двигателем для обеспечения висения его в воздухе приходится устанавливать специальный вентилятор для охлаждения цилиндров двигателя и масла.

Режим висения вертолета для двигателя достаточно напряженный. При этом двигатель работает на режиме, близком к номинальному, а в жаркое время года при полном полетном весе висение вертолета возможно только на номинальном режиме работы двигателя.

К системе охлаждения двигателя и масла на вертолете предъявляются следующие требования: она должна быть простой и легкой, достаточно экономичной и вместе с тем должна обеспечивать нормальные температурные условия работы двигателя при длительном висении вертолета в жаркое время года.

Система охлаждения на одновинтовом вертолете устроена так, что часть воздуха, подаваемого вентилятором, обдувает цилиндры двигателя, а другая часть проходит через маслорадиатор, охлаждая масло, выходящее из двигателя (рис. 45).

Рис. 45. Схема охлаждения силовой установки

Для обеспечения нормальных температурных режимов двигателя в холодное время года или при планировании на больших высотах температура головок цилиндров двигателя и масла регулируется специальными заслонками, которыми летчик управляет из своей кабины.

Почти на всех самолетах с поршневыми двигателями винт закрепляется либо непосредственно на валу двигателя, либо на валу редуктора, который органически входит в конструкцию двигателя.

У большинства вертолетов несущий винт достаточно удален от двигателя, и для передачи мощности от двигателя к винту на вертолетах имеется специальная трансмиссия.

Современные авиационные двигатели, поршневые и тем более турбовинтовые, имеют достаточно большие обороты: поршневые — 2500–4000 в минуту и турбовинтовые — 5000—12 000 в минуту. Условия же работы несущих винтов вертолетов, имеющих довольно большие диаметры, обусловленные необходимостью получения небольших нагрузок на квадратный метр ометаемой поверхности и ограничения окружной скорости концов их лопастей, требуют сравнительно небольших оборотов несущих винтов: 250–400 в минуту на легких и средних вертолетах и 100–200 в минуту на тяжелых.

Для обеспечения таких малых оборотов несущего винта при высокооборотном двигателе в системе трансмиссии вертолета установлен редуктор числа оборотов, который в отличие от редукторов хвостовой трансмиссии называется главным редуктором.

Главный редуктор, передавая значительную мощность при большом передаточном числе и большом крутящем моменте на выходном валу, является сложным и исключительно ответственным устройством, так как от безотказной работы его зависит безопасность полета вертолета.

Вследствие довольно большой степени редукции, которая может изменяться от 0,15 до 0,02, главные редукторы выполняются преимущественно двухступенчатыми с несовмещенными осями или с планетарными (рис. 46).

Рис. 46. Схема главного редуктора

Для обеспечения нормального запуска двигателя вертолета и плавной раскрутки несущего винта и трансмиссии в ней имеется муфта включения. В отличие от аналогичных автомобильных муфт включения, которые вследствие сравнительно небольших передаваемых ими мощностей являются чисто фрикционными, муфты включения на вертолетах, передающие большие мощности, выполняются преимущественно двухступенчатыми: первая ступень — фрикционная, вторая — жесткая.

По конструкции муфты включения бывают механические, гидравлические и центробежные; по методу управления — с ручным приводом, полуавтоматические и автоматические. На описываемом вертолете установлена двухступенчатая механическая муфта включения с ручным управлением (рис. 47).

Рис. 47. Схема муфты включения и свободного хода

Чтобы в случае отказа двигателя была обеспечена нормальная работа несущего винта на режиме самовращения, в трансмиссии каждого вертолета имеется муфта свободного хода, которая устанавливается между двигателем и трансмиссией. Конструктивно она может быть выполнена либо роликовой, подобно велосипедной, либо храповой. На рассматриваемом вертолете муфта свободного хода — храпового типа и конструктивно совмещена с муфтой включения.

В случае отказа двигателя муфта свободного хода автоматически обеспечивает вращение несущего винта и всей остальной трансмиссии вертолета, не требуя вмешательства со стороны летчика.

На одновинтовом вертолете передача мощности от двигателя к рулевому винту осуществляется при помощи длинного хвостового вала, имеющего несколько карданных шарниров, и двух редукторов — промежуточного и хвостового.