Развитие и устройство вертолетов

Обычный самолет не может зависнуть над землей, чтобы поднять или опустить груз в точно заданном месте, и не может приземляться на неровных участках. Для таких целей и работы в труднодоступных территориях необходим вертолет.

История вертолета. Все летательные аппараты тяжелее воздуха удерживаются в состоянии полета благодаря подъемной силе. Когда обычное крыло самолета определенной формы быстро движется в воздухе, давление воздуха на нижней поверхности становится больше, чем на верхней. Разница давлений «поднимает» самолет и делает возможным его полет. Если бы можно было заставить крылья вращаться относительно летательного аппарата, то подъемная сила была бы получена без движения всей машины вперед. На этом принципе основан вертолет. Он известен уже давно. Еще Леонардо да Винчи (1452-1519) принадлежит эскиз машины с вращающимся крылом, которую он назвал «хеликс птерон», что по-гречески означает «вращающееся крыло». Это название используется и сейчас в несколько измененном виде в слове «геликоптер».

Эскиз машины с вращающимся крылом сделал Леонардо да Винчи в 1483 г. Спиральное крыло из накрахмаленного льняного полотна должно было поднимать машину почти так же, как это делает и несущий винт вертолета. Машина Леонардо никогда не летала, так как в те времена не было двигателя.

Но даже если бы такой двигатель и был, машина вышла бы из-под контроля и начала вращаться, так как ее создатель не представлял себе, что двигатель вращал бы фюзеляж в обратном к вращению крыла направлении. Эта отдача известна сейчас как «вращающий момент»

Но вертолет не мог летать до тех пор, пока для него не был сделан достаточно легкий и мощный двигатель. Начиная примерно с 1900 г., когда получили развитие двигатели, работающие на бензине, крупные вертолеты готовы были подняться в воздух. Первые аппараты с вращающимся крылом оказались неустойчивыми и испытывали их неохотно, лишь на привязи. Удержать парящую машину в воздухе без наклона оказалось очень трудно, однако для полета вертолета в конкретном направлении наклон необходим.

Аналог ветряной мельницы. В 1923 г. испанский изобретатель Хуан де ла Сиерва (1896-1936) успешно испытал гибрид вертолета и самолета [4]. Машина имела крылья и пропеллер, но сверху был закреплен свободно вращающийся ротор. При взлете такой машины встречный поток воздуха раскручивал лопасти ротора подобно ветряной мельнице; это обеспечивало дополнительную подъемную силу и позволило машине летать с меньшей скоростью и взлетать после укороченного пробега. Сиерва назвал свое изобретение «автожиром», так как лопасти винта автоматически начинают вращаться в полете (по-гречески autös — сам, gyros-круг, вращение). Благодаря этой авторотации вертолет способен приземлиться невредимым, если вдруг откажет силовая установка.

Самая универсальная машина. Во время второй мировой войны вертолет был усовершенствован в основном усилиями Игоря Сикорского (1889-1972) [5], выходца из России. Одним из главных препятствий была борьба с вращающим моментом: когда двигатель вращает несущий винт в одном направлении, он одновременно вращает корпус вертолета в противоположном направлении. Появление вращающего момента-следствие второго закона Ньютона. Небольшой винт на хвосте вертолета противодействует вращающему моменту; если несущих винта два и они вращаются в противоположных направлениях, то крутящий момент уравновешивается. Регулируя наклон различных винтов, вертолет можно удерживать неподвижно в воздухе или совершать повороты. Реактивные двигатели можно установить на концах каждой лопасти. Тогда движение лопасти будет обусловлено действием силы тяги реактивного двигателя и вращающего момента не возникнет. Можно поставить небольшие прямоточные воздушно-реактивные двигатели или направить выхлопные газы по воздуховодам сопла на концах лопастей из газовой турбины в фюзеляже.

5 Первым настоящим 5 вертолетом был VS-300 Сикорского (1939), который со временем неоднократно модифицировался.

До 1941 г. возможные направления его полета были ограничены. Промышленные образцы нового аппарата испытывались уже во второй мировой войне. Примененный на нем принцип единственного несущего и маленького хвостового винта стал доминирующим в вертолетостроении.

Если вертолет стабилизирован в воздухе, то он легко может лететь в любом направлении. Несущий винт создает направленный вниз поток воздуха, и реактивная сила направленного вниз потока воздуха создает подъемную силу. Если эта сила равна по величине массе вертолета, то он зависает в воздухе. Если же подъемную силу уменьшить, замедляя вращение несущего винта или изменяя угол, под которым лопасть винта встречается с набегающим потоком воздуха, то вертолет опускается. Если несущий винт немного наклонить, когда он продолжает вращаться, часть потока воздуха направляется в определенную сторону и вертолет начинает двигаться в противоположном направлении.

Вертолет с хвостовым винтом имеет ручку управления наклоном винта [1], связанную с тягами [3], наклоняющими нижнее кольцо автомата перекоса [2]. Верхнее кольцо [4] также наклоняется; наклон вектора тяги обеспечивает поступательное движение. Ручка управления общим шагом винта [5] поднимает или опускает оба кольца автомата перекоса, изменяя подъемную силу несущего винта. Ножные педали [6] разворачивают вертолет вокруг вертикальной оси

Направленная скорость движения вертолета не очень велика, поэтому стремятся соединить маневренность вертолета со скоростью полета аппарата с неподвижным крылом. Испытываются самолеты с поворачивающимися воздушными винтами, которые могут быть направлены либо вверх, либо горизонтально вперед, но реактивные двигатели с поворотными соплами пока наиболее успешно работают в самолетах типа «Харриер» и Як-36.

Вертолеты используются для быстрой связи между аэропортом и центром города и для сообщения с труднодоступными местами, где нет взлетно-посадочных полос. Стоимость их эксплуатации высока, поэтому в экономичности они уступают другим видам пассажирского транспорта. К их помощи прибегают главным образом в тех случаях, когда нельзя воспользоваться иными машинами, в частности для спасательных работ [3]: для эвакуации людей из горящего дома или из районов стихийного бедствия, для спасения тонущих моряков или пловцов-любите- лей, не рассчитавших свои силы. Вертолеты оказывают неоценимую помощь при перевозке рабочих и груза в отдаленные районы, как летающие краны для монтажных работ на высотных сооружениях. Маневренность вертолетов делает их также универсальной боевой машиной.

Вертолет незаменим для спасательных работ. Ему во многом обязаны жизнью травмированные альпинисты, тонущие моряки, туристы, жертвы стихийных бедствий.

Вертолет совершает подъем или зависает, когда ось вращения несущего винта проходит через центр тяжести вертолета [А]. Движением ручки управления общим шагом винта изменяют подъемную силу. При толчке ручки вперед происходит наклон диска несущего винта (плоскости, где вращаются лопасти винта) вперед и вертолет начинает двигаться [Б]. Если тянуть ручку назад [В], вертолет летит назад, а перемещение ручки вправо-влево позволяет вертолету «лететь боком» в стороны [Г]- Хвостовой винт управляется педалями путевого управления [Д]. Он разворачивает вертолет вокруг вертикальной оси, чтобы летчик мог изменить направление полета.

Подъемная сила двухвинтового вертолета вдвое больше, чем одновинтового с таким же несущим винтом. Советский грузовой вертолет Ми-12 М.Л. Миля- самый большой в мире. В 1969 г. он установил мировой рекорд, подняв 40 т на высоту более 2000 м. Размах вертолета от конца лопасти одного винта до конца лопасти другого 67 м; винты вращаются в противоположных направлениях.

У вертолета продольной схемы (тандема) два несущих винта, один позади другого.

Первый такой вертолет («Летающий банан») построен американским инженером Фрэнком Пясецки в 1945 г. Подобные вертолеты могут использоваться для перевозки пассажиров или войск.

У других двухвинтовых вертолетов несущие винты расположены либо на одной линии (их вращение строго синхронизировано во избежание соударения лопастей), либо соосно, один над другим.