Вертолёты

Вертолёт — винтокрылый летательный аппарат, у которого необходимые для полёта подъёмная сила и тяга создаются одним или несколькими несущими винтами с приводом от двигателя или нескольких двигателей.

Вертолёт в современном понимании этого слова до войны носил название «геликоптер». Это слово было заимствовано из французского языка (фр. hélicoptère) уже в конце XIX века. Во французском языке, в свою очередь, слово создано из корней греческого языка (др.-греч. ἕλιξ, родительный падеж ἕλικος «спираль, винт» и πτερόν «крыло»).

Многоцелевой вертолёт Ми-38 на выставке МАКС-2005

Слово «вертолёт» появилось в 1929 году, когда было применено Н. И. Камовым к автожиру КАСКР-1[источник не указан 759 дней], который, однако, не был вертолётом в современном смысле слова. В том же значении фиксируется в словаре Ушакова: «вертолёт, а м. (нов. авиац.). То же, что автожир»]. По всей видимости, слово «вертолёт» было создано по подобию французского «gyroplane» (имеющего то же значение и существующего с 1907 года) так же, как по аналогии с «aéroplane» (тогда ещё бытовавшему во французском языке), был придуман «самолёт». То есть, первый элемент «верт-» (от слова «вертеть») соответствует французскому «gyro-», восходящему к др.-греч. γῦρος.

Не представляется верным утверждение Л. А. Введенской и Н. П. Колесникова, что, «когда изобрели летательный аппарат, которому не нужен разбег перед взлётом, поскольку он способен вертикально подняться и полететь с любой площадки, то для его наименования создали слово вертолёт (вертикально + лететь)», тем более, что КАСКР-1, являющийся автожиром, не мог подниматься вертикально.

В 1948 году А. А. Жабров издал книгу под названием «Самолёт, планер, автожир, геликоптер», но в последующие годы слово «вертолёт» изменило своё значение, стало обозначать не «автожир», а «геликоптер», и в современном языке совершенно вытеснило прежнее название.

Существует версия происхождения слова «вертолёт» от названия компании-производителя вертолётов «Vertol» (название, в свою очередь, произошло от сокращения термина «Vertical Take-off and Landing aircraft» — «воздушное судно вертикального взлёта и посадки»). В 1959 году советская делегация, в состав которой входил и разработчик первых советских серийных вертолётов М. Л. Миль, приобрела в США образцы американских вертолётов Sikorsky S-58 и Vertol V-44. Именно с этого времени слово «вертолёт» в русском языке окончательно вытеснило термин «геликоптер» для обозначения этих аппаратов.

Патрульный вертолёт Ка-226

Основные принципы

В отличие от крыльев самолета лопасти несущего винта вертолета находятся не параллельно наступающему воздушному потоку, а под углом, который называется углом атаки или углом установки лопастей.

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.

Управление

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.

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.

Основной недостаток присущий всей винтокрылой технике — не очень высокая (ме́ньшая максимальная) скорость полёта и повышенный (по сравнению с самолётами) расход горючего (высокий удельный расход топлива и, как следствие — более высокую стоимость полёта в расчёте на пассажирокилометр или единицу массы перевозимого груза).
К недостаткам вертолётов (по сравнению с самолётами) 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) и крайне высокий и неэффективный расход топлива.

Классификация:

Вертолёты обычно разделяют по аэродинамической схеме, по грузоподъёмности, по назначению.

Транспортный вертолёт Ми-26 — самый большой из ныне действующих

Классификация по аэродинамической схеме

Одновинтовые с рулевым винтом. Для компенсации реактивного момента используется рулевой винт, создающий тягу в направлении вращения НВ. Традиционно эту схему называют «классической схемой». По этой схеме построено большинство существующих вертолётов;
Одновинтовые со струйной системой управления. Для компенсации реактивного момента используется система управления погранслоем на хвостовой балке и реактивное сопло на конце. На Западе известна как NOTAR, англ. No Tail Rotor — «без хвостового винта».
Пример: MD 520N; MD 900 Explorer.
Одновинтовые с реактивным принципом вращения лопастей. Также именуются реактивными вертолётами. Двигатели расположены на лопастях и на вал несущего винта не передается сильных моментов, как в случае расположения двигателей в фюзеляже. Такая схема исключает наличие реактивного момента от несущего винта . Существуют различные варианты этой схемы: с установкой прямоточных воздушно-реактивных двигателей на законцовках лопастей (собственно реактивный вертолёт), либо с соплами на законцовках лопастей и подачей горячего выхлопа на них от расположенного в фюзеляже газотурбинного двигателя («привод горячего цикла»), либо компрессорный привод «холодного цикла»: газотурбинный двигатель в корпусе вертолёта приводит компрессор, а сжатый воздух от него подводится через трубопроводы к соплам на законцовках лопастей. Было построено несколько экспериментальных машин с реактивным приводом.
Пример: вертолёт ОКБ Миля В-7, Hiller YH-32 Hornet
Только привод компрессорного типа использовался на серийно строившемся вертолёте. Пример: Sud-Ouest SO.1221 «Djinn».

Як-24 — двухвинтовой вертолёт продольной схемы

Двухвинтовые продольной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счёт наличия двух одинаковых винтов, вращающихся в противоположные стороны и расположенных в передней и задней частях фюзеляжа. Данную схему называют также «летающий вагон».
Пример: CH-47 Chinook, Як-24
Двухвинтовые поперечной схемы. Аналогична предыдущей, но винты расположены на фермах либо крыльях по бокам фюзеляжа.
Пример: Ми-12 (самый крупный из когда-либо взлетавших вертолётов), Focke Achgelis Fa 223 и др.
Двухвинтовые соосной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счёт наличия двух одинаковых винтов вращающихся в противоположные стороны и расположенных на одной оси.
Пример: большинство вертолётов КБ им. Камова
Двухвинтовые с перекрещивающимися плоскостями роторов. Также именуются синхроптерами. Оси вращающихся в противоположные стороны роторов наклонены по отношению друг к другу, плоскости вращения роторов пересекаются, для исключения столкновения лопастей вращение их синхронизировано.
Пример: Kaman HH-43 Huskie.
Многовинтовые (вертолётные платформы). Компенсация происходит за счёт наличия равного количества противоположно вращающихся винтов.

Классификация по взлётному весу

Сверхлёгкие — вертолёты со взлётным весом до 1000 кг;
Лёгкие — вертолёты со взлётным весом до 4500 кг;
Средние — вертолёты со взлётным весом от 4500 до 13000 кг;
Тяжёлые — вертолёты со взлётным весом более 13000 кг.

Разделение средних и тяжёлых вертолётов отличается в России и за рубежом. Поэтому некоторые вертолёты могут классифицироваться в России как средние, а за рубежом — как тяжёлые.

В отдельных случаях может использоваться дополнительный класс свехтяжёлых вертолётов (например: вертолёт Ми-12).

Ми-12 — двухвинтовой вертолёт поперечной схемы

Классификация по назначению

Гражданские вертолёты могут быть разделены на следующие типы:

Многоцелевые — предназначены для перевозки пассажиров, грузов и выполнения различных целевых задач;
Пассажирские — предназначены для перевозки пассажиров;
Транспортные — предназначены для перевозки различных грузов в грузовой кабине и на внешней подвеске;
Поисково-спасательные — предназначены для поиска, спасания и оказания экстренной помощи пострадавшим;
Сельскохозяйственные — предназначены распыления удобрений и ядохимикатов для борьбы с вредителями с/х культур;
Вертолёты-краны — предназначены для перевозки грузов на внешней подвеске и выполнения строительно-монтажных работ.

Ми-10К — вертолёт-кран

Классификация FAI

Все вертолёты отнесены FAI к классу E-1.

Лёгкие вертолеты дополнительно разделены на подклассы:

E-1a — со взлётным весом до 500 кг;
E-1b — со взлётным весом от 500 до 1000 кг;
E-1c — со взлётным весом от 1000 до 1750 кг;
E-1d — со взлётным весом от 1750 до 3000 кг;
E-1e — со взлётным весом от 3000 до 4500 кг.

Применение вертолётов:

в вооружённых силах (переброска войск, боеприпасов и обеспечения, контроль над операцией, связь, разведка, корректировка артиллерийского огня, поиск и уничтожение наземных и воздушных целей, подводных лодок; высадка десанта, охрана границ);
в полицейских операциях и операциях спецназа;
в спасательных работах;
при тушении пожаров (Пожарный вертолёт используется с подвеской Bambi bucket или с баками для воды размещёнными в фюзеляже);
в медицине (срочная доставка пострадавшего в больницу);
в коммерческих перевозках (срочная доставка грузов);
для съёмок с воздуха;
для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур;
как вид общественного транспорта (проекты — в 1960-е годы в СССР);
при строительных работах (в случае строительства сооружений значительной высоты — колоколен, вышек, небоскрёбов; в труднодоступных горных условиях; при недостатке места для строительства с помощью наземных средств)