Вертолет, или, иначе, геликоптер, создает подъемную силу за счет вращения винта, в отличие от самолета, у которого подъемная сила создается поступательным движением аппарата.

Воздух обтекает лопасти вращающегося винта вертолета. Поскольку для создания подъемной силы не имеет существенного значения, создается ли движение путем перемещения всего аппарата или перемещением одного крыла относительно воздуха, то и основной принцип появления данной силы неизменен.

Иными словами, лопасть винта вертолета представляет собой аналог крыла самолета, у которого верхняя часть более «выпуклая», чем нижняя – для эффекта Бернулли.

Кроме того, как и крыло самолета, лопасть винта вертолета образует определенный угол атаки с горизонталью. Это делается для того, чтобы сила сопротивления воздуха при движении лопасти давала составляющую, направленную вверх.

Винт, в соответствии с 3-м законом Ньютона, воздействует на воздух с той же силой, с какой воздух действует на винт. Это приводит к движению воздуха. Движение воздуха направлено сверху вниз. Получается, что вертолет как бы висит на воздушных струях.

Вращение винта, в соответствии с законом сохранения момента импульса, создает так называемый «реактивный момент», закручивающий летательный аппарат в противоположную сторону. Для компенсации применяют либо соосную схему с двумя винтами, вращающимися в разные стороны, либо, чаще, используют малый хвостовой «подруливающий» винт, задача которого – создать момент в направлении, противоположном действию реактивного момента.

Следует отметить, что реактивный момент свойственен не только вертолетам. В равной степени он возникает и на вращающемся винте у самолета (компенсируется вращением винтов в разные стороны, положением элеронов или рулей высоты).

Когда винт вертолета работает в горизонтальной плоскости, параллельно земле, вертолет может только висеть, поднимаясь выше и ниже (что, кстати, невозможно для самолетов). Чтобы вертолет начал двигаться вперед, ему необходимо изменить угол наклона винта так, чтобы винт толкал аппарат не только вверх, но и вперед.

Идея создания подобного аппарата, взлетающего при помощи винта, была высказана еще Леонардо да Винчи в 1475 году. Неоднократно совершались попытки построить подобный аппарат, в том числе и у нас. Так, в 1754 году М.В. Ломоносовым были проведены экспериментальные работы по определению подъемной силы летательного аппарата с соосными винтами. Однако практическое использование вертолета без мощного двигателя, даже при удачной попытке поднять аппарат в воздух, было невозможно. Вертолет в лучшем случае мог поднять вверх только себя самого.

Первый в истории вертикальный полет состоялся 24 августа (по другим источникам, 29 сентября) 1907 года и продолжался одну минуту. Вертолет, построенный братьями Луи и Жаком Бреге (Louis & Jacques Bréguet) под руководством профессора Шарля Рише (Charles Richet), поднялся в воздух на 50 см.

Интересно, что...

Современные вертолеты способны выполнять такие фигуры высшего пилотажа, как «петля Нестерова».

Скоростные вертолеты (скорость более 450 км/час) имеют комбинированную двигательную установку с подъемным винтом и маршевым двигателем, например винтокрыл В-12.

Существуют аппараты, сочетающие в себе возможности самолета и вертолета, – конвертопланы, например «Ospry».

Есть вертолеты, способные садиться на воду, такие как Ми-14 и Ка-28.

Вертолётный ротор – механизм, приобретающий подъемную силу от вращения – изобрели в Китае в 4 веке до н.э. Применялся он в игрушке, представлявшей собой специальным образом выточенную из бамбука дощечку, насаженную на ось, резкое вращение которой поднимало конструкцию в воздух. Этот вертолётик был известен в Европе эпохи Возрождения – он зафиксирован на некоторых полотнах и, в частности, рисунках Леонардо. Позднее эксперименты с игрушкой повлияли на развитие идей Джорджа Кейли, считающегося отцом современной аэронавтики.

После военного конфликта 1982 года между Англией и Аргентиной появилась история о пингвинах Фолклендских островов, которые падают на спину от задирания головы на летящие низко самолёты или вертолёты и не в силах подняться обратно на ноги. С течением времени слух обрастал деталями, включая появление новой профессии под названием «переворачиватель пингвинов» – специального военнослужащего, который спасает опрокинутых птиц от умирания. Опасения общественности стали настолько высоки, что в 2001 году группа британских учёных провела долговременное исследование в Антарктиде, в течение которого не зафиксировала ни одного случая падения пингвинов при приближении вертолёта.

Томас Эдисон пытался разработать вертолёт, который должен был работать на порохе. Серия взрывов, разрушивших часть фабрики Эдисона, заставила его прекратить эксперименты.

Подобно крылу самолёта, лопасти несущего винта вертолёта находятся под углом к плоскости вращения винта, который называется углом установки лопастей. Однако, в отличие от неподвижного самолётного крыла, угол установки лопастей вертолёта может меняться в широких пределах (до 30°).

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 полужёсткого соединения. Автомат перекоса, как правило, жёстко соединяется с осевым шарниром для изменения угла атаки лопастей. В схемах с тремя и более несущими винтами автомат перекоса может отсутствовать.

Лопасти вертолёта, как правило, во всех режимах полёта вращаются с постоянной частотой, увеличение или уменьшение мощности несущего винта зависит от шага винта.

Вращение винту обычно передаётся от одного или двух двигателей через трансмиссию и промежуточный редуктор колонки несущего винта. При этом возникает реактивный момент, который стремится закрутить вертолёт в сторону, противоположную от вращения несущего винта. Для противодействия реактивному моменту, а также для путевого управления, используется либо рулевой винт, либо соосная схема несущих винтов, вращающихся в разных направлениях.

В качестве рулевого устройства обычно используется вертикальный рулевой винт на конце хвостовой балки, реже применяют рулевой винт в кольцевом канале – фенестрон, ещё реже систему NOTAR, основанную на эффекте Коанды.

Система NOTAR состоит из полой хвостовой балки, у основания которой находится винт для создания необходимого давления, управляемых щелей вдоль поверхности балки и поворотного сопла для путевого управления на конце балки. Воздух, выходящий из управляемых щелей, создаёт 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 вертолёта, при этом винт не только противодействует реактивному моменту и участвует в путевом управлении, но и создаёт дополнительную тягу, направленную вперёд, разгружая тем самым несущий винт во время полёта. При использовании соосной схемы противоположно вращающихся винтов, реактивные моменты взаимно компенсируются, при этом дополнительная мощность от двигателей не требуется. Однако такая схема заметно усложняет конструкцию вертолёта.

В случае, если винт приводится во вращение реактивными двигателями, закреплёнными на самих лопастях, реактивный момент почти не заметен.

Для разгрузки несущего винта на большой скорости вертолёт может оснащаться достаточно развитым крылом, для увеличения путевой устойчивости может также применяться оперение.

Когда вертолёт летит вперёд, лопасти, движущиеся вперёд, имеют бо́льшую скорость относительно воздуха, чем движущиеся назад. Вследствие этого 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 стремится совершить взмах вверх в горизонтальном шарнире. При наличии жёсткой связи с автоматом перекоса это ведёт к уменьшению угла атаки и, следовательно, к уменьшению подъёмной силы. На другой же половине винта лопасти испытывают гораздо меньшее давление воздуха, угол установки лопастей увеличивается, увеличивается и подъёмная сила. Этот простой способ уменьшает влияние кренящего момента.

Стоит отметить, что на отступающих лопастях, при определённых 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 полёта, повышения наибольших скорости и грузоподъёмности применяют дополнительные крылья (например, на Ми-6 и частично на Ми-24 – у этого вертолёта роль дополнительных крыльев выполняют пилоны подвесного оружия). За счёт дополнительной подъёмной силы на крыльях удаётся разгрузить несущий винт, снизить общий шаг винта и несколько снизить силу эффекта кренения, однако в 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 вертолёт должен иметь возможность безопасно приземлиться в режиме авторотации, то есть в режиме самовращения несущего винта под действием набегающего потока воздуха.

Для этого почти все вертолёты, 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 вертолёта зависят от давления окружающего воздуха, в частности от высоты полёта, температуры воздуха, влажности.

Основные части вертолёта

Несущий винт предназначен для создания подъёмной и пропульсивной (движущей) сил, а также для управления полётом. Он состоит из лопастей и втулки, которая передаёт крутящий момент с вала главного редуктора к лопастям.

Рулевой винт служит для компенсации реактивного крутящего момента несущего винта и путевого управления одновинтового вертолёта. Он состоит из лопастей и втулки, закреплённой на вале хвостового редуктора.

Автомат перекоса обеспечивает управление общим и циклическим шагом несущего винта, передавая управляющий сигнал от цепи управления к осевому шарниру втулки несущего винта.

Система управления предназначена для создания сил и моментов, необходимых для движения вертолёта по заданной траектории.

Трансмиссия предназначена для передачи мощности от двигателей к несущему и рулевому винтам и вспомогательным узлам. Схема трансмиссии определяется схемой вертолёта, числом и расположением двигателей. Трансмиссия состоит из главного, промежуточного и хвостового редукторов, валов и их опор, соединительных муфт, тормоза несущего винта.

Фюзеляж служит для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудования, топлива и т.д. К фюзеляжу крепятся шасси, подредукторные рамы, узлы крепления двигателя, оперение и т.д.

Крыло создаёт дополнительную подъёмную силу, разгружая несущий винт, что позволяет увеличить скорость полёта. В крыле могут размещаться топливные баки, оборудование, ниши для уборки шасси. У вертолётов поперечной схемы крыло поддерживает несущие винты.

Оперение предназначено для обеспечения устойчивости и управляемости вертолёта. Оно разделяется на горизонтальное (стабилизатор) и вертикальное (киль).

Взлётно-посадочные устройства служат для стоянки вертолёта, передвижения его по земле и гашения энергии удара при посадке. Они могут быть выполнены в виде колёсного шасси, полозкового шасси или поплавков (жёстких или надувных). Колёсное шасси может быть убираемым в полёте.

Силовая установка предназначена для создания мощности, потребляемой на привод несущего и рулевого винтов и вспомогательных агрегатов. Представляет собой комплекс двигателей (поршневых, газотурбинных или электрических числом от 1 до 3 и (редко) более) с системами, обеспечивающими их нормальную устойчивую работу на всех режимах полёта.

Управление по крену и тангажу на большинстве существующих вертолётов осуществляется с помощью циклического изменения угла атаки лопастей (шага) несущего винта, называемого циклическим шагом, с помощью автомата перекоса. При изменении циклического шага создаётся момент, наклоняющий вертолёт, вследствие чего вектор тяги несущего винта отклоняется в заданном направлении.

На конвертопланах управление осуществляется по-самолётному. Также возможны иные способы 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 осуществлено 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 вперёд/назад обеспечивает управление по тангажу, влево/вправо – по крену. Для изменения общего шага несущего винта (соответственно, подъёмной силы вертолёта) используется отклоняемая вверх ручка «шаг-газ» под левой рукой лётчика. Управление по рысканью осуществляется педалями.

Существенно, что в вертолёте, в отличие от самолётов, применяется не прямое управление мощностью двигателя, а опосредованное. В ходе полёта скорость вращения несущего винта изменяется в относительно узких пределах.

Логику работы управления мощностью можно описать следующим образом. Например, для выполнения взлёта лётчик увеличивает общий шаг несущего винта, возросшее сопротивление воздуха уменьшает обороты винта, автоматика управления двигателем обнаруживает такое падение оборотов и увеличивает подачу топлива, таким образом увеличивая мощность. Такая система устанавливается на всех без исключения вертолётах с газотурбинными двигателями, а также на подавляющем большинстве поршневых вертолётов, за исключением редких образцов 1950-х годов.

Несмотря на наличие такой автоматической системы управления, в ряде случаев всё же требуется вмешательство лётчика (прямое регулирование мощности двигателя). Для этого на ручке общего шага расположен регулятор мощности (т.н. «коррекция»). Регулятор выполнен в виде поворотного кольца, подобного мотоциклетной ручке газа. Диапазон коррекции относительно невелик; коррекция применяется для точной регулировки мощности. По этой причине ручка общего шага зачастую называется «шаг-газ».

На двухдвигательных вертолётах может также устанавливаться система прямого раздельного управления двигателями. Она используется как резервная – на случай различных отказов или аварийных ситуаций.

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 перевозить очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.

Основные недостатки, присущие всей винтокрылой технике, по сравнению с самолётами, – меньшая максимальная скорость полёта и повышенный расход горючего (удельный расход топлива). Как следствие, более высокая стоимость полёта в расчёте на пассажиро-километр или единицу массы перевозимого груза. Также к недостаткам вертолётов 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 замедляет вращение несущего винта), также высокий шум и большая заметность от факелов двигателей.

Как и у самолётов, у вертолётов существуют свои особенные, характерные только для них опасные режимы полёта, аварийные режимы и аэродинамические особенности: например, вихревое кольцо, земной резонанс и т.д. Пилот вертолёта должен иметь твёрдые знания и практические навыки для предотвращения возможных аварийных ситуаций из-за этих особенностей вертолёта.

Классификация вертолётов по способу компенсации реактивного момента несущего винта (схеме вертолёта) является наиболее общеупотребительной.

Одновинтовой вертолёт

Вертолёт, имеющий один несущий винт. Вертолёт с реактивным приводом несущего винта (реактивный вертолёт) – вертолёт, несущий винт которого приводится во вращение при помощи реактивных двигателей или сопел, установленных на лопастях винта. В данной схеме отсутствует механический привод несущего винта, и передаваемый от винта момент незначителен. Для его компенсации и путевого управления на вертолёте устанавливают рулевые поверхности, небольшой рулевой винт или реактивные рулевые сопла. Сюда же можно отнести экспериментальные вертолёты с маленькими тянущими винтами на каждой лопасти несущего винта и компрессорный привод несущего винта, когда к соплам на лопастях подводится сжатый воздух от компрессора («холодный цикл») или продукты горения под большим давлением («горячий цикл»). Одновинтовой вертолёт с рулевым винтом – вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется дополнительным рулевым винтом, установленным на хвостовой балке (оперении). Рулевой винт служит также средством путевого управления вертолётом. Данная схема получила наибольшее распространение – по ней построено подавляющее большинство вертолётов в мире, поэтому она часто называется классической схемой. Разновидностью данной схемы можно считать использование на вертолёте рулевого винта, заключённого в кольцо – фенестрона. Вертолёт со струйной системой управления – вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется системой сопел по длине и на конце хвостовой балки. Данная система за рубежом получила название NOTAR. Одновинтовой вертолёт с винтами-компенсаторами (комбинированный вертолёт) – одновинтовой вертолёт, имеющий два воздушных винта, установленных на поперечных консолях (крыле или ферме). Реактивный момент несущего винта компенсируется разностью тяг воздушных винтов. Данная схема нашла применение при создании винтокрылов. Одновинтовой вертолёт с рулевыми поверхностями – вертолёт, реактивный момент несущего винта которого компенсируется за счёт рулевых поверхностей, отклоняющих воздушный поток от несущего или толкающего хвостового винта.

Двухвинтовой вертолёт

Вертолёт, имеющий два несущих винта. Двухвинтовой вертолёт поперечной схемы (вертолёт поперечной схемы) – вертолёт, имеющий два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях и расположенных на поперечной оси вертолёта. Для этого несущие винты устанавливаются на концах крыла или фермы. Реактивные моменты несущих винтов в этой схеме противоположны по знаку и уравновешивают друг-друга на крыле (ферме). Двухвинтовой вертолёт продольной схемы (вертолёт продольной схемы, устаревшее: вертолёт тандемной схемы) – вертолёт, имеющий два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях и расположенных на продольной оси вертолёта. Для этого несущие винты устанавливаются в носовой и хвостовой частях вертолёта. Из-за особенностей взаимовлияния несущих винтов в горизонтальном полёте задний винт обычно устанавливают выше переднего. Реактивные моменты несущих винтов в этой схеме противоположны по знаку и уравновешивают друг-друга на фюзеляже вертолёта. Разновидностью данной схемы является использование двух несущих винтов, вращающихся в одном направлении. Реактивные моменты здесь компенсируются за счёт наклона осей винтов. Двухвинтовой вертолёт соосной схемы (вертолёт соосной схемы, соосный вертолёт) – вертолёт, имеющий два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях и расположенных на одной оси один над другим. Часто такие несущие винты считают единой конструкцией и называют соосным несущим винтом. Реактивные моменты несущих винтов в этой схеме противоположны по знаку и уравновешивают друг-друга на главном редукторе вертолёта. Двухвинтовой вертолёт с перекрещивающимися лопастями (синхроптер) – вертолёт, имеющий два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях и расположенных со значительным перекрытием с небольшим наклоном осей вращения. Наклон осей вращения винтов в поперечной плоскости наружу и синхронизация вращения винтов обеспечивает безопасное прохождение лопастей одного несущего винта над втулкой другого. Реактивные моменты несущих винтов в этой схеме не полностью уравновешивают друг-друга на главном редукторе вертолёта. Незначительный момент по тангажу компенсируется системой управления.

Многовинтовой вертолёт

Вертолёт, имеющий три и более несущих винта. Трёхвинтовой вертолёт – вертолёт, имеющий три несущих винта, расположенных в плане в виде треугольника. Реактивный момент несущих винтов в случае их однонаправленного вращения компенсируется за счёт наклона осей вращения винтов. В случае, когда два несущих винта вращаются в одном направлении, а третий – в противоположном, появляется пара винтов, вращающихся в разных направлениях, общий реактивный момент которых взаимно уравновешивается. Для компенсации реактивного момента оставшегося непарного винта достаточно наклонить только его ось вращения. Разновидностью данной схемы является трёхвинтовой вертолёт с малым хвостовым несущим винтом. Данная схема в сущности представляет собой двухвинтовой вертолёт поперечной схемы с хвостовым (задним) горизонтальным рулевым винтом. В этой схеме хвостовой винт значительно меньше двух остальных несущих винтов, создающих основную подъёмную силу. Хвостовой винт служит рулём высоты и иногда рулём направления. Реактивные моменты несущих винтов в данной схеме не уравновешиваются полностью, но влияние хвостового винта незначительно. Четырёхвинтовой вертолёт (квадрокоптер) – вертолёт, имеющий четыре несущих винта, расположенных на концах крыльев илиферм. За счёт противоположного направления вращения в каждой паре (передней и задней) несущих винтов, реактивный момент пар винтов уравновешивается на крыльях (фермах).

10 самых быстрых вертолетов

Скорость – один из ключевых параметров современных военных вертолетов. Порой перебросить войска или груз в зону конфликта либо же забрать оттуда пострадавших в максимально короткие сроки критически важно. Высокоскоростные гибридные вертолеты нового поколения уже преодолели барьер в 400 км/час.

1. Легкий многоцелевой вертолет AW109 с его максимально допустимой скоростью 311 км/час и крейсерской 285 км/час – одна из самых популярных машин среди себе подобных. «Стодевятый» производства англо-итальянского концерна AugustaWestland закуплен армиями многих стран, включая ЮАР, Швецию, Новую Зеландию и Малайзию.

2. Состоящий на вооружении США AH-64D Apache считается одним из лучших многоцелевых боевых вертолетов. В экстренной обстановке он разгоняется до 365 км/час. А крейсерская скорость составляет 265-270 км/час.

3. Российский МИ-26 (по классификации НАТО – Halo) – не только крупнейший вертолет в мире, но еще и самый быстрый среди тяжелой транспортной братии. Его максимальная скорость – 295 км/час, крейсерская – 265 км/час. Вертолет оборудован двумя газотурбинными двигателями мощностью 11,400 лошадиных сил каждый, способен преодолеть расстояние 800 км и подняться на высоту 4600 метров.

4. Российский ударный вертолет МИ-28Н или «Ночной охотник» не только «видит» врага с расстояния 35 км даже в темноте, но и несется к нему с максимальной скоростью 300 км/час. В крейсерской скорости он соперничает с американским AH-64D Apache: 265-270 км/час.

5. Еще один ударный вертолет родом из России, Ка-52 или «Аллигатор», может подниматься на высоту более 5000 метров и развивать максимальную скорость 300 км/час. «Аллигатор» способен взлетать и приземляться в условиях экстремально низких и экстремально высоких температур.

6. Многоцелевой военный вертолет NH90 разработан франко-германским консорциумом Eurocopter и состоит на службе у многих стран, входящих в состав НАТО. Мощный двигатель позволяет аппарату подняться на максимальную высоту 3200 метров со скороподъемностью более 11 м/с. Его максимальная скорость – 291 км/час.

7. Представитель нового поколения вертолетов с двумя газотурбинными двигателями AugustaWestland AW139M набирает максимальную скорость 310 км/час. При этом крейсерская ненамного меньше – 306 км/час.

8. AW101 Merlin – вертолет средней грузоподъемности, который в экстремальных условиях может взять планку в 309 км/час (крейсерская скорость – 278 км/час). Англо-итальянский концерн AugustaWestland производит его как для военных, так и для гражданских целей. Машина принимает на борт более 30 человек и осуществляет поисково-спасательные работы на расстоянии более 800 км.

9. Российскому многоцелевому ударному вертолету Mи-35M по плечу скорость 320 км/час. Он может нести боевую службу в различных погодных условиях, круглые сутки.

10. Американский тяжелый вертолет CHF-47 Chinook предназначен для транспортировки войск, артиллерии, оборудования и различных грузов. Несмотря на громоздкий вид, это достаточно шустрый аппарат с максимальной скоростью 282 км/час.

Неофициальный рекорд скорости при спуске (487 км/час) и при горизонтальном полете (472 км/час) принадлежит винтокрылому детищу компании Eurocopter c кратким именем X3. Но речь пока идет только о демонстрационных моделях. Тем временем боевую службу несут проверенные «лошадки» – несколько более медленные, зато надежные.