Схемы вертолетов

Реактивный момент, действующий на корпус вертолёта, и его компенсация

Схема вертолета описывает количество несущих винтов вертолёта, а также тип устройств, используемых для управления вертолетом.

Усилие для раскручивания несущего винта может передаваться от двигательной установки через осевой вал. В этом случае по третьему закону Ньютона возникает реактивный момент, закручивающий корпус вертолета в противоположную от вращения несущего винта сторону (на земле такому вращению препятствует шасси аппарата).

Существует ряд основных конструктивных схем компенсации реактивного момента и управления вертолета с использованием как единственного, так и нескольких несущих винтов.

В случаях, когда раскручивание несущего винта осуществляется либо набегающим потоком воздуха (автожиры, вертолеты в режиме полета на авторотации), либо с помощью реактивных струй, расположенных на концах лопастей (реактивный вертолет), реактивный момент не возникает, и соответственно, необходимость в его компенсация отсутствует.

Одновинтовые схемы с рулевым устройством

В таких схемах для компенсации реактивного момента используются устройства, создающие тягу, которая закручивает вертолёт в противоположном реактивному моменту направлении. Преимуществом таких схем является их относительная простота, однако при этом происходит отбор мощности силовой установки вертолета.

Вертолеты одновинтовой схемы с рулевым винтом

Рулевой винт SA 330 Puma

Основная статья: Рулевой винт

В данной схеме винт небольшого диаметра располагается на хвостовой балке вертолёта на некотором расстоянии от оси несущего винта. Создавая тягу в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси вертолёта, рулевой винт компенсирует реактивный момент. Изменяя тягу рулевого винта, можно управлять поворотом вертолёта относительно вертикальной оси. Большинство современных вертолетов выполнено по одновинтовой схеме.^[1]

Впервые её запатентовал на своем летательном аппарате Борис Юрьев вместе с автоматом перекоса в 1912 году^[2]. Однако первую подобную модель предложил в 1874 году немецкий конструктор Аченбах.^[3]

Первый успешный вертолёт VS-300 с рулевым винтом построил Игорь Сикорский, вертолёт поднялся в воздух 13 мая 1940 года. Успех данного вертолета заключается в том, что на основе этой модели для американской армии серийно выпускался вертолёт R-4.

Неоспоримым преимуществом данной схемы является простота конструкции и системы управления, что приводит к уменьшению затрат на производство, ремонт и обслуживание.
Кроме того, выпускают вертолёты, например Ми-28, с так называемым Х-образным, четы­рехлопастным рулевом винтом, лопасти которого имеют различные взаимные углы установки на втулке (на­подобие буквы X). Винт такого типа обладает преимуще­ствами перед обычным (с равномерным азимутальным распределением лопастей) по уровню шума и уменьше­нию неблагоприятного воздействия на лопасти концевых вихревых шнуров, генерируемых соседними лопастями.

Недостатки данной схемы:

• рулевой винт отбирает часть мощности двигателя (до 10 %) и вместе с тем не даёт ни подъёмной силы, ни тяги, направленной вперёд;
• воздушный поток от несущего винта ухудшает характеристики рулевого винта, вследствие этого рулевой винт стараются размещать как можно выше на хвостовой балке;
• рулевой винт является весьма уязвимым при полетах вблизи земли;
• рулевой винт, так же как и несущий, может попадать в опасный режим вихревого кольца, что ограничивает возможности маневрирования.

Вертолеты с рулевым винтом в кольце, фенестрон

Фенестрон

Основная статья: фенестрон

В современном вертолетостроении иногда применяют многолопастный рулевой винт в кольцевом канале киля — фенестрон (от лат. fenestra — окно)^[4]. Диаметр фенестрона в два с лишним раза меньше, чем диаметр обычного рулевого винта. Впервые применён на лёгких вертолётах французской фирмы «Аэроспасьяль». Используется в конструкциях легких и средних вертолётов^[5]

Такая конструкция имеет несколько существенных преимуществ:

• уменьшается вредное сопротивление вертолета;
• предотвращаются задевание вращающимися лопастями рулевого винта за наземные предметы при маневрировании на предельно малых высотах, а также травмирование людей при работе вертолета на земле;
• высокая эффективность, чем у открытого рулевого винта при одинаковых диаметрах.

Недостатками являются:

• значительное увеличение толщины и массы киля, делающей установку фенестрона на тяжелые вертолеты нецелесообразной;
• высокочастотный шум;
• нелинейности в характеристиках путевого манёвра.

Винтокрыл

Eurocopter X3

В этой схеме используются винты, расположенные на крыльях или фермах летательного аппарата — винтокрыла. Причем тяга обоих винтов направлена вперед, а для компенсации реактивного момента в режиме висения один из винтов обеспечивает большую тягу, чем другой. В режиме полёта эти винты используются как тянущие, что увеличивает скорость винтокрыла, при этом несущий винт переходит в режим авторотации. Первый аппарат с таким принципом компенсации реактивного момента предложил и запатентовал Юрьев в 1910 году^[6]. Примером такой модели в настоящее время может служить Eurocopter X3.

Преимуществом винтокрыла можно считать высокие скорости полета, недостижимые для классической схемы в силу особенностей аэродинамики. Так, например, винтокрыл «Ротодайн» фирмы «Фейри» в 1959 году достиг скорости в 307,22 км/ч,^[7], а Eurocopter X3 в 2010 году — 430 км/ч.

Недостатком такой системы является потеря бóльшей мощности на компенсацию реактивного момента в режиме висения по сравнению с рулевым винтом.

Однако не все винтокрылы используют данный способ компенсации. Например, винтокрыл Ка-22 использовал для противодействия реактивному моменту пару поперечных винтов, а Ротодайн — реактивное вращение лопастей.

Струйная система управления, NOTAR

принцип работы схемы NOTAR

Основная статья: NOTAR

Для компенсации реактивного момента используется система управления пограничным слоем на хвостовой балке, применяющая эффект Коанда, вместе с реактивным соплом на конце балки, или же только реактивное сопло.

Управляющая сила эффекта Коанды возникает по той же причине, по какой возникает подъёмная сила крыла — из-за несимметричного обтекания профиля хвостовой балки нисходящим воздушным потоком, образованным несущим винтом. Вентилятор, расположенный у основания хвостовой балки засасывает воздух из отверстий, расположенных вверху корпуса вертолёта, создавая необходимое повышенное давление внутри хвостовой балки. На правой стороне хвостовой балки с помощью специальных сопел устанавливается более быстрое движение воздушного потока, чем на левой стороне. Тем самым, вследствие закона Бернулли, давление воздуха на левой стороне будет больше, чем на правой, эта разность давлений приводит к появлению силы, направленной слева направо.

Примечание: на схеме синими стрелками показаны потоки воздуха, проходящие через хвостовую балку, красными — по поверхности хвостовой балки.

На Западе известна как NOTAR, англ. No Tail Rotor — «без хвостового винта». В Советском Союзе эксперименты проводились на вертолёте Ка-26-СС. Серийно вертолёты, использующие такую схему, выпускаются компанией «MD Helicopters».

Данная система является из-за отсутствия рулевого винта самой тихой и безопасной.

Одновинтовые схемы с реактивным принципом вращения лопастей

В этих схемах из-за отсутствия трансмиссии, передающий крутящий момент от силовой установки к несущему винту, не требуется компенсация реактивного момента. Преимуществом таких схем является простая конструкция, а общим недостатком можно считать небольшую скорость при значительном расходе топлива. Для управления по рысканью может использоваться рулевой винт, отклоняемые поверхности либо реактивные устройства.

Опытный вертолёт В-7

Существуют различные варианты этой схемы:

• с установкой прямоточных воздушно-реактивных двигателей на законцовках лопастей;
• с соплами на законцовках лопастей и подачей горячего выхлопа на них от расположенного в фюзеляже газотурбинного двигателя («привод горячего цикла»), в этом случае лопасти несущего винта изготавливаются из жаропрочных сплавов;
• компрессорный привод «холодного цикла»: газотурбинный двигатель в корпусе вертолёта приводит компрессор, а сжатый воздух от него подводится через трубопроводы к соплам на законцовках лопастей;
• также в ряде экспериментальных вертолетах начала 20-го века роль реактивных двигателей играли пропеллеры, установленные на концах лопастей, например вертолет Кёртиса-Блекера^[8].

Самый первый реактивный геликоптер спроектировал и построил немецкий конструктор Добльгоф.^[9] Экспериментальные реактивные вертолёты строились также в Польше, в США их разработкой по заказу военных довольно долго занималась фирма «Хьюз». Однако большего успеха добилась американская компания «Hiller», которая выпускала вертолёты YH-32 «Хорнет» и HJ-1 «Колибри» малыми сериями для армии, флота и полиции^[10]. В 1956 году в американец российского происхождения Евгений Глухарев поднял в воздух первый реактивный ранцевый вертолёт MEG-1X^[11]. В настоящий момент вертолёты с реактивным приводом серийно не производятся.

Основным преимуществом такой схемы является простая и сравнительно лёгкая конструкция, исключающая сложную трансмиссию.
Главными недостатками такой компоновки считается:

• слишком большой расход топлива;
• шумность;
• сложность изготовления герметичных втулок;

Для варианта с воздушно-реактивными двигателями к тому же:

• сложности с безопасным снижением на авторотации;
• необходимость в дополнительном стартовом устройстве, которое раскручивает несущий винт;
• большая заметность в тёмное время суток из-за ярких огней двигателей.

Схемы с двумя несущими винтами

Реактивные моменты в таких схемах взаимно компенсируются синхронным разнонаправленным вращением двух винтов. Плоскости вращения винтов могут иметь различные степени перекрытия при количестве лопастей меньше четырёх.

Общим преимуществом таких схем является отсутствие потерь мощности на компенсацию реактивного момента, однако такие схемы обладают комплексной сложностью:

• необходимостью жесткой синхронизации несущих винтов, как по частоте вращения, так и в органах управления;
• увеличением массы несущей системы и системы управления;
• повышенным лобовым сопротивлением несущей системы.

Продольная схема

Boeing CH-47 Chinook

Продольная схема состоит из двух горизонтальных винтов, расположенных друг за другом и вращающихся в разных направлениях. Задний винт приподнят над передним для уменьшения негативного влияния воздушной струи от переднего винта. Данная схема в основном используется в вертолётах большой грузоподъёмности. Вертолёты с продольной схемой иногда называют «летающими вагонами».^[12]

Первопроходцем в создании вертолета, построенного по продольной схеме, стал французский инженер Поль Корню. В 1907 году его аппарат смог оторваться от земли на 20 секунд. При первом испытании аппарат оторвался от земли сначала на 0,3 м (полная масса 260 кг), затем на 1,5 м (полная масса 328 кг)^[13].

Дальнейшим развитием данной конструкции занялся американец Франк Пясецки, выпустив в 1945 году для армии США вертолет, который из-за своей формы получил название «летающий банан».

В советском союзе тоже велись работы в этом направлении. В 1952 году под руководством Игоря Александровича Эрлиха^[14] после всего лишь 9 месяцев с начала проектирования состоялся первый полет Як-24, превосходивший по тому времени все зарубежные образцы.^[15]

Положительными сторонами этой схемы вертолёта являются:

• большой объём грузового помещения.^[16];
• большой допустимый диапазон эксплуатационных центровок. Возможность использовать почти весь объём грузового пространства без потери в управляемости.

К недостаткам продольной схемы вертолёта относятся:

• появление значительных вибраций в некоторых режимах полета. Этот эффект особенно сильно проявлялся на ранних моделях вертолётов;
• некоторое ухудшение коэффициента полезного действия заднего несущего винта. Для решения этой проблемы задний винт расположен выше относительно переднего;
• неполная компенсация реактивных моментов винтов, которая приводит к появлению паразитной боковой силы;
• некоторая несимметричность устойчивости и управляемости в путевом отношении;
• сложная трансмиссия.

Поперечная схема

Самый большой вертолёт в мире Ми-12

Поперечные винты устанавливаются на концах крыльев или специальных опор (ферм) по бокам корпуса вертолёта. К поперечной схеме можно отнести и некоторые конвертопланы в вертолетном режиме, например Bell V-22 Osprey, Bell Eagle Eye.

В 1921 году американский инженер Генри Берлинер вместе с отцом Емилем Берлинером спроектировал вертолет поперечной схемы. Он разместил по бокам самолетного фюзеляжа два небольших, четырёхметровых винта, а на хвосте рулевой пропеллер с вертикальной осью вращения — он должен был «задирать» хвост аппарата, чтобы у винтов появлялась горизонтальная составляющая тяги для движения вертолета вперед. Для управления вертолетом использовались отклоняемые поверхности, типа элеронов, а также наклоняемые оси несущих винтов.^[17]
Первым успешным вертолетом поперечной схемы стал немецкий Focke-Wulf Fw 61, который в 1937 году поставил ряд рекордов по дальности и скорости. В советском союзе первым вертолетом поперечной схемы стал проект «Омега» 1941 года.^[18]

Достоинства:

• высокий коэффициент полезного действия несущих винтов вследствие отсутствия взаимного влияния воздушных потоков от этих винтов;
• наиболее выгодная схема с точки зрения устойчивости и управляемости вследствие аэродинамической симметрии.

К недостаткам этой схемы следует отнести:

• сложную трансмиссию;
• повышенный вес конструкции;
• повышенное лобовое сопротивление.

Соосная схема

Ка-26

Основная статья: Соосный несущий винт

Соосная схема представляет собой пару винтов, расположенных один над другим на одном валу. Винты вращаются в противоположные стороны, таким образом компенсируются реактивные моменты, возникающие от каждого из винтов.

Первый патент на соосное расположение несущих винтов летательного аппарата был выдан в 1859 году англичанину Генри Брайту.

В начале 1920-х Рауль Петерас-Пескара работал над вертолетом соосной схемы, в котором впервые применил для управления вертолетом автомат перекоса.

Первым полностью управляемым стал вертолет Лабораторный гироплан (англ.), построенный часовщиком Луи Бреге и Рене Дораном в 1936 году ^[19][20].

Первый полёт вертолета соосной схемы с полностью металлическими лопастями совершил американец Стенли Хиллер в 1944 году. Конструкция оказалась настолько удачной, что сам Хиллер часто демонстрировал его устойчивость, отпуская рычаги управления и высовывая руки из окон.^[21]

В Советском Союзе темой соосных вертолетов впервые занялся коллектив Яковлева в 1944 году, чуть позже в 1945 году за работу взялся коллектив энтузиастов под руководством Н. И. Камова. Стоит отметить, что ещё в российской империи первые два прототипа вертолета Игоря Сикорского (создателя первого успешного вертолета классической схемы V-300) были выполнены по соосной схеме^[19].

Вертолет Яковлева «Шутка» впервые поднялся в воздух 20 декабря 1947 года^[22], а вертолёт Камова Ка-8 — несколько ранее, 12 ноября 1947 года^[23]. Однако именно для конструкторского бюро Камова соосная схема стала основной, по сей день вертолёты Камова — единственные в мире вертолёты с соосной схемой, выпускаемые серийно.

Достоинства соосной схемы:

• минимальные габаритные размеры, так как лопасти соосных винтов короче несущих лопастей вертолётов с рулевым винтом схожего класса. Требуется минимальная по сравнению с другими схемами взлетно-посадочная площадка;
• компактность трансмиссии. Практически вся трансмиссия расположена вдоль одного вала;
• сравнительная простота управления. Все органы управления расположены рядом с трансмиссией, причём при совершении манёвров не затрачивается дополнительная мощность от двигателей;
• лучшая устойчивость при прямолинейном движении на большой скорости вследствие уменьшения вибраций;
• меньшее число критически уязвимых узлов, таких как хвостовая балка и рулевой винт одновинтовых вертолетов;
• большая по сравнению с традиционной схемой тяговооружённость минимум на 20 % на режиме висения. Нет потери мощности на рулевой винт, к тому же нижний винт работает не полностью в воздушном потоке верхнего винта, а подсасывает дополнительный воздух;
• аэродинамическая симметрия схемы. Аппарат соосной схемы может совершать полет в любом направлении практически с одинаковой эффективностью;
• уменьшение вибраций, чему способствуют меньшие размеры несущих винтов;
• безопасность для обслуживающего персонала. Отсутствие хвостового винта уменьшает вероятность травм.

Недостатки:

• ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов из-за их взаимного влияния в различных режимах полёта по сравнению с продольной и поперечной схемами;
• сложность производства, ремонта и обслуживания;
• сравнительно большая высота вертолёта вследствие большого расстояния между винтами, это в свою очередь увеличивает аэродинамическое сопротивление, которое отрицательно сказывается на максимальной горизонтальной скорости;
• вероятность перехлеста лопастей на критических режимах полета. Перехлест может наступать приблизительно в таких же режимах полёта, что и у несущего винта с хвостовой балкой классической схемы;
• немного бо`льшая скорость планирования на режиме авторотации, то есть самовращения несущих винтов под действием набегающего воздушного потока;
• более трудное обеспечение путевой устойчивости из-за присущего схеме короткого фюзеляжа, поэтому большинство соосных вертолетов имеет развитое вертикальное оперение.^[24]

Перекрещивающиеся лопасти

Kaman K-MAX

Основная статья: Синхроптер

Несущие винты расположены по бокам фюзеляжа со значительным перекрытием, а их оси наклонены наружу под углом друг к другу, исключая таким образом возможность перехлёста. Фактически такая схема является частным случаем поперечной схемы с максимально возможным перекрытием несущих винтов, в то же время обладает свойствами соосной схемы. Из-за наклона винтов реактивные моменты уравновешиваются только относительно вертикальной оси, а их проекции относительно поперечной оси складываются, образуя момент тангажа.^[25]

В настоящий момент единственным серийным производителем подобных вертолётов является американская компания Kaman Aircraft. Отличительной особенностью данной фирмы являются использование в системе управления вертолётом сервозакрылок, установленных на лопастях, принцип действия которых схож с элероном самолёта.

Достоинства:

• минимальные габаритные размеры;
• простая и лёгкая трансмиссия;
• малый относительный вес конструкции;
• симметричность в отношении аэродинамики.

Недостатки:

• ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов вследствие взаимного влияния их друг на друга;
• возникновение продольного момента, усложняющего балансировку вертолета.

Многовинтовая схема

Квадролёт Георгия Ботезата

Основная статья: Квадрокоптер

В основном вертолёты данной конструкции используют четыре винта, одна пара из которых расположены в продольной схеме, а другая — в поперечной, хотя встречаются конструкции как с тремя несущими винтами (Ми-32, Cierva Air Horse (англ.)русск.), так и с большим числом винтов (Мультикоптер (англ.)русск.).
Отличается большим весом, но вместе с тем простотой управления, так как такая схема не требует автомата перекоса, а направление полёта задаётся регулированием мощности на каждом из винтов в отдельности.
В настоящий момент пользуется все большей популярностью в радиоуправляемых вертолетах.
Схема изначально была представлена в прототипах начала двадцатого века на заре авиации.
К вертолетам такой схемы можно отнести квадрокоптер Георгия Ботезата, бывшего профессора Петроградского технологического института, эмигрировавшего в Америку; вертолёт Этьена Эмишена, который помимо 4 несущих винтов имел 6 небольших пропеллеров для поддержания равновесия и 2 винта для горизонтального полета^[26]
К многовинтовой схеме можно отнести и некоторые конвертопланы, например Curtiss-Wright X-19, Bell X-22, Bell Boeing Quad TiltRotor(проект).

Примечания

1. ↑ Богданов и др., 1990, с. 14
2. ↑ Мир вертолётов. Поиски схемы  (рус.). aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
3. ↑ Achenbach 1874 Вертолет Аченбаха, 1874  (англ.). aviastar.org. Проверено 4 апреля 2012.
4. ↑ ФЕНЕСТРОН
5. ↑ Одновинтовые вертолеты с фенестроном " Малая энциклопедия вертолетостроения. Все про вертолеты
6. ↑ Вертолет Юрьева 1910 года
7. ↑ История вертолетных рекордов — 0051.htm
8. ↑ Вертолет Кёртиса-Бликкера  (рус.). http://aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
9. ↑ Вертолет Doblhoff WNF 342  (рус.). http://www.aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
10. ↑ Реактивные вертолеты  (рус.). http://www.aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
11. ↑ Портативный вертолет Глухарёва Meg-1  (рус.). http://www.aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
12. ↑ Яковлев ЯК-24 Транспортно-десантный вертолёт
13. ↑ Поль Корню. Изобретатель первого вертолета. — Город.томск.ру
14. ↑ Российские немцы. История и современность
15. ↑ Яковлев Як-24
16. ↑ Boeing Vertol СН-47 CHINOOK Многоцелевой транспортный вертолёт
17. ↑ Вертолет Берлинера
18. ↑ Первый вертолет СССР — «Омега»
19. ↑ ^{1 2} Gyroplane Laboratoire  (рус.). http://www.aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
20. ↑ A History of Helicopter Flight  (англ.). Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 сентября 2012.
21. ↑ Вертолет Хиллер Xh-44-r  (рус.). http://www.aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
22. ↑ Яковлев ЭГ
23. ↑ Вертолет Ка-8  (рус.). http://www.aviastar.org. Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.
24. ↑ Практическая аэродинамика вертолета Ка-26 / К.Н. Лалетин. — М.: "Транспорт", 1974.
25. ↑ Богданов и др., 1990, с. 16
26. ↑ В арьергарде авиации  (рус.). Архивировано из первоисточника 19 июня 2012. Проверено 4 апреля 2012.

Литература

1. Конструкция вертолетов: Учебник для авиационных техникумов / Ю. С. Богданов, Р. А. Михеев, Д. Д. Скулков. — М.: Машиностроение, 1990. — 272 с.: ил. — ISBN 5-217-01047-9; ББК 39,57я723 Б73; УДК 629.735.45.0
2. Аэродинамический расчет вертолетов / Академик Б. Н. Юрьев. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1956. — 272 с.: ил.
3. Винтовые летательные аппараты / Камов Н.И.. — М.: Оборонгиз, 1948.

Ссылки

• КОВАЛЕВ М. В., Устройство вертолета
• Техника Молодежи. Наш авиамузей. Винтокрылые.