Вертолеты

Ка-50.

Многоцелевой вертолёт Ми-38 на выставке МАКС-2005.

Вертолёт — аэродинамический летательный аппарат, обладающий свойством совершать взлёт и посадку по вертикали, зависать в воздухе и перемещаться в любом направлении. Необходимые для полёта подъёмная сила и тяга создаются одним или несколькими несущими винтами (пропеллерами), которые вращаются двигателем (двигателями).

Аналогичный аппарат с безмоторными несущими винтами называется автожиром или гиропланом.

История

Эскиз летательного аппарата Леонардо да Винчи

Идея летательного аппарата с вертикальным взлетом прослеживается ещё в чертежах Леонардо да Винчи, сделанных им в 1475 году, однако эта машина не является вертолётом в современном понимании.^[1]. Только в XX веке она получила практическое воплощение.

В 1853—1860 годах во Франции Понтон д’Амекур разработал проект летательной машины — «аэронефа». Аэронеф должен был подниматься вверх с помощью двух винтов, насаженных на одну вертикальную ось и вращающихся в противоположные стороны.

Первый в истории вертикальный полет состоялся 24 августа (по другим источникам, 29 сентября) 1907 года и продолжался одну минуту. Вертолёт, построенный братьями Луи и Жаком Бреге (Louis & Jacques Bréguet) под руководством профессора Шарля Рише (Charles Richet), поднялся в воздух на 50 см. Аппарат имел массу 578 кг и был оснащен двигателем Antoinette мощностью 45 л.с. Gyroplane имел 4 несущих винта диаметром 8,1 м, каждый винт состоял из восьми лопастей, попарно соединенных в виде четырех вращающихся бипланных крыльев. Суммарная тяга всех винтов составляла 560—600 кг. Максимальная высота полета на режиме висения — 1,525 м была достигнута 29 сентября. Также существуют данные о том, что в 1905 году француз М. Леже создал аппарат с двумя противоположно вращающимися винтами, который мог на некоторое время отрываться от земли^[1].

Первым человеком, поднявшимся в воздух на вертолёте, был французский производитель велосипедов Поль Корню (Paul Cornu). 13 ноября 1907 он построил вертолёт, поднявший его вертикально в воздух на высоту 50 см и провисевший в воздухе 20 секунд. Основное достижение Корню состояло в попытке сделать вертолет управляемым (нельзя сказать, правда, что эта попытка увенчалась полным успехом), для чего изобретатель установил под винтами специальные поверхности, которые, отражая поток воздуха от винтов, давали аппарату определенный запас маневренности. Но и этот вертолёт был плохо управляемым.

Игорь Сикорский построил в России два вертолёта — в 1908 и 1909 годах. Вертолёт поднимался в воздух, но был недостаточно силён, чтобы поднять пилота. Поэтому Сикорский охладел к вертолёту и занялся конструированием аэроплана. Сикорский вернулся к вертолётам только в 1938 году, пытаясь сохранить свою компанию на плаву. Первый более-менее завершённый летающий образец вертолёта Сикорского VS-300 (S-46) появился в 1939 году.

До изобретения автомата перекоса ни о каком управляемом полёте на вертолёте не могло быть и речи. 18 мая 1911 года выдающийся инженер Б. Н. Юрьев опубликовал «схему одновинтового вертолета с рулевым винтом и автоматом перекоса лопастей» [1]. До настоящего времени этот механизм используется на большинстве вертолетов. В 1912 году Юрьев построил первую модель одновинтового вертолета с рулевым винтом. К сожалению, из-за отсутствия денег Юрьев не смог запатентовать свои избретения и продолжить разработки.

В 1920 году начал работу над созданием летательных аппаратов испанец Хуан де ла Сиерва. В 1922 году был построен автожир С-4, на котором 10 января 1923 года Гомес Спенсер впервые взлетел с мадридского аэродрома Хетафе. Одной из особенностей конструкции С-4 явилось шарнирное соединение лопастей несущего винта с его головкой, что и обеспечило успех этой модели.

В 1922 году профессор Георгий Ботезат, эмигрировавший после революции из России в США построил по заказу армии США первый устойчиво управляемый вертолёт, который смог подняться в воздух с грузом на высоту 5 м и находиться в полёте несколько минут.

24 апреля 1924 года П. Пескара установил первый мировой рекорд дальности полета на вертолете — 736 м.

4 мая 1924 году французский инженер Эмиль Эмишен пролетел на своем вертолете 1100 м по замкнутому треугольному маршруту. Полет продолжался 7 мин 40 с.

25 сентября 1929 года совершил первый полет автожир КАСКР-1 «Красный инженер» Н. И. Камова и Н. К. Скржинского. Автожир пролетел расстояние 250 м, высота полета составила 2-3 м. КАСКР-1 вошел в мировую историю вертолетостроения как первый советский винтокрылый летательный аппарат и как первый летательный аппарат вертикального взлета и посадки, названный «вертолетом».

В 1926 году в России в ЦАГИ была сформирована «геликоптерная группа», которую возглавил А. М. Черемухин. Результатом работы этой группы стал первый управляемый вертолет ЦАГИ-1ЭА, совершивший свой первый полет в сентябре 1930 года. Силовая установка ЦАГИ-1ЭА включала два РПД М-2 по 120 л. с. каждый. Взлетная масса — 1145 кг. Полет прошел на высоте 10—12 м над землей. Позднее на этом аппарате были достигнуты мировые рекорды: высота полета — 605 м (в 5 раз больше, чем ранее), продолжительность — 14 минут, максимальная дальность — 3 км, скорость полета — 21 км/ч. Для первых летных испытаний было предложено прикрепить вертолет к горизонтальному тросу, чтобы не дать вертолету взлететь на высоту более нескольких метров и исключить опасность крушения в случае падения его с высоты.

1930 году итальянская машина конструкции д’Асканио пролетела 1078 м, став первым вертолетом, преодолевшим расстояние свыше 1 км.

14 августа 1932 года А. М. Черемухин установил на первом советском вертолете ЦАГИ 1-ЭА неофициальный мировой рекорд высоты полета — 605 м.

21 декабря 1935 года Gyroplane конструкции Луи Бреге и Рене Дорана впервые развил скорость 100 км/ч.

4 марта 1940 года Правительство СССР издало Постановление о создании нового вертолета, к разработке которого приступило ОКБ-3 МАИ под руководством И. П. Братухина. 27 июля 1940 года был утвержден эскизный проект вертолета, получившего обозначение 2МГ «Омега» (двухмоторный геликоптер).

В 1942 году немецкий вертолет Flettner Fl-282 Kolibri взлетел с крейсера «Кельн», став первым вертолетом палубной авиации.

14 января 1942 года состоялся первый полет вертолета R-4 фирмы Sikorsky . Двухместный R-4, созданный на базе VS-300, стал первым в мире серийным вертолетом.

В декабре 1942 года первый экземпляр маленького одноместного вертолета Bell-30 конструкции Артура Янга оторвался от земли (испытания проводились на привязи). С этого вертолета, собственно, и началась история фирмы Bell .

Весной 1943 года совершил первый полет WNF-342 Фридриха Доблхофа — первый в мире реактивный вертолет.

В июле 1945 года на армейском вертолете R-6A был совершен беспосадочный перелет протяженностью 690 км (2 марта 1944 года на таком же вертолете были установлены неофициальные рекорды дальности полета по прямой — 623 км и продолжительности полета — 4 ч 55 мин).

12 ноября 1947 был осуществлен первый полет (летчик М. Д. Гуров) вертолета Ка-8 конструктора Н. И. Камова.

Первый серийный советский вертолёт — Ми-1 ОКБ под руководством М. Л. Миля (1948).1948 года летчик-испытатель М. К. Байкалов совершил на Ми-1 первый полет с поступательной скоростью. В 1950 году были завершены государственные испытания, вертолет пошел в серийное производство. Ми-1 начал выпускаться с 1952 года на Казанском вертолетном заводе, что положило начало крупносерийному производству вертолетов в нашей стране. В мае 1954 года вертолет был введен в эксплуатацию в Гражданской авиации. 8 января 1956 года Ми-1 совершил свой первый полет в Антарктиде.

26 мая 2005 вертолёт под управлением французского пилота Дидье Дельсаля достиг высшей точки Земли — горы Эверест.

Этимология

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^[2].

Слово «вертолёт» появилось в 1929 году, когда был применено Н. И. Камовым к автожиру КАСКР-1, 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»^[3]. 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 ко греческому «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)»^[4], тем более, что КАСКР-1, являющийся автожиром, не мог подниматься вертикально.

В 1948 году А. А. Жабров издал книгу под названием «Самолет, 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.

Основные принципы

Ми-8

Ми-10

Самолёт способен летать благодаря специальной изогнутой форме крыла, которое движется в потоке набегающего воздуха. Подъёмная сила создаётся за счёт того, что путь, проходимый воздухом над крылом, больше пути потока воздуха под крылом, и, соответственно, скорость верхнего потока выше. Согласно закону Бернулли, на крыло начинает действовать сила, направленная в сторону потока с большей скоростью. Вертолёт использует тот же принцип, но роль крыльев у него играют лопасти несущего винта.

Вращение несущего винта создаёт подъёмную силу, но оно же создаёт силу отдачи, стремящуюся закрутить вертолёт в обратном направлении. Чтобы компенсировать вращательный момент, обычно используется дополнительный маленький вертикальный рулевой винт. Если этот винт встроен в хвостовое оперение, то его называют фенестроном.

Другим вариантом является два больших несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях на одной оси. Второй винт называется аэродинамически симметричным соосным несущим винтом. Этот вариант использован, например, в российском Ка-50. Вертолёты такой схемы показывают более высокую тяговооружённость, однако в случае недостаточной продуманности конструкции, могут обладать повышенной вероятностью схлёстывания лопастей винтов при резком боковом манёвре.

Есть ещё вертолёты, которые используют эффект Коанды (прилипание струи жидкости или газа к твёрдой поверхности), чтобы компенсировать вращательный момент без дополнительных винтов.

Максимальная скорость вертолёта ограничена ввиду недопустимости постоянного достижения скорости звука на крайних участках лопастей (общая максимальная скорость на краю лопасти равна радиусу диска вращения ротора, умноженному на обороты в секунду + скорость самого вертолёта), что привело бы к разрушению конструкции.

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 вертолёт поворачивает вбок. Чтобы этого не происходило, используется механизм компенсации, встроенный в автомат перекоса, чтобы угол наклона лопастей в левой и правой половине винта был бы различен.

Кроме того, винт создаёт вибрацию, угрожающую разрушением конструкции. Поэтому в большинстве случаев применяется активная система гашения возникающих колебаний.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством вертолётов является их маневренность: вертолёты способны к вертикальному взлёту, вертикальной посадке, зависанию в воздухе и даже к полёту «задом наперёд». Вертолёт может приземлиться (и взлететь) в любом месте, где есть ровная площадка размером в полтора диаметра винта. Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.

К недостаткам вертолётов по сравнению с самолётами можно отнести меньшую максимальную скорость, сложность в управлении, высокий удельный расход топлива и, как следствие, более высокую стоимость полёта в расчете на пассажирокилометр или единицу массы перевозимого груза.

Ми-26

Применение

Вертолёты применяются:

• в армии (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;
• 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, небоскребов; в труднодоступных горных условиях; при недостатке места для строительства с помощью наземных средств)

Классификация вертолётов

Двухвинтовые поперечной схемы.Ми-12

Двухвинтовые продольной схемы: Як-24

конвертоплан V-22 Osprey

Вертолёты обычно разделяют по аэродинамической схеме, по грузоподъемности, по назначению. 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 вертолетов;
• 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, что расшифровывается, как «NO TAil Rotor» или «Без хвостового винта», что звучит не корректно ввиду наличия множества схем, подпадающих под это определение. Пример: MD 520N; MD 900 Explorer.
• Одновинтовые с реактивным принципом вращения лопастей. Также именуются реактивными вертолетами. 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. Только привод компрессорного типа использовался на серийно строившемся вертолёте. Пример: Sud-Ouest SO.1221 «Djinn».
• Двухвинтовые продольной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счет наличия двух одинаковых винтов, вращающихся в противоположные стороны и расположенных в передней и задней частях фюзеляжа. Пример: CH-47 Chinook, Як-24.
• Двухвинтовые поперечной схемы. Аналогична предыдущей, но винты расположены на фермах либо крыльях по бокам фюзеляжа. Пример: В-12 (самый крупный из когда-либо взлетавших вертолетов).
• Двухвинтовые соосной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счет наличия двух одинаковых винтов вращающихся в противоположные стороны и расположенных на одной оси. Пример: Большинство вертолетов УВЗ им. Камова.
• Двухвинтовые с перекрещивающимися плоскостями роторов. Также именуются синхроптерами. Оси вращающихся в противоположные стороны роторов наклонены по оношению друг к другу, плоскости вращения роторов пересекаются, для исключения столкновения лопастей вращение их синхронизировано. Пример: Kaman HH-43 Huskie.
• Многовинтовые (вертолетные-платформы). Компенсация происходит за счет наличия равного количества противоположно вращающихся винтов.
• Винтокрылы. Эта схема отличается от вышеперечисленных тем, что для создания пропульсивной тяги используется тянущий/толкающий винт или реактивный двигатель. Тут название «винтокрыл» означает, что при горизонтальном полёте винт используется как крыло (не создает пропульсивную силу). Пример: Ка-22.
• Конвертопланы. Эта схема переходного летательного аппарата, который взлетает как вертолет с помощью винта, а в горизонтальном полете летит как самолет, используя винты как пропеллеры. Конвертопланы разделяются на аппараты
• с поворотной винтомоторной группой (тилтротор) — крыло неподвижно, поворачивается двигатель (если он расположен на крыле) с винтом (Пример: V-22 Osprey);
• с поворотным крылом (тилтвинг) — поворачивается крыло вместе с расположенной на нем винтомоторной группой;
• вертикальные — элементы конструкции не поворачиваются, но аппарат стоит «на хвосте» (Heinkel Lerche II, Wespe — не построены по причине поражения Германии во Второй мировой войне). Последний тип, однако, скорее можно отнести к самолётам вертикального взлёта и посадки с кольцевым крылом.

По грузоподъемности:

• лёгкие — регламентируются авиационными правилами АП-27;
• средние — регламентируются авиационными правилами АП-29;
• тяжёлые.

По назначению:

• Многоцелевые — большинство вертолётов на данный момент подпадают под эту категорию. Это делается из экономических соображений;
• Пассажирские/административные — предназначены для перевозки пассажиров на небольшие расстояния (например аэротакси);
• Транспортные — предназначены для перевозки различных грузов в грузовой кабине и на внешней подвеске;
• Вертолёты-краны — предназначены для монтирования конструкций в недоступных горных районах и высотных зданиях;
• Разведывательные — предназначены для проведения различного рода разведывательных операций, как правило являются барражирующими;
• Боевые — предназначенные для проведения военных операций, имеют свою классификацию.

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 вертолета установлена вертикальная ручка. Её отклонение вперед/назад обеспечивает управление по тангажу, влево- вправо- по крену. Для изменения общего шага несущего ротора (соответственно, подъемной силы вертолета) — используется отклоняемая вверх ручка «шаг-газ» под левой рукой летчика. Управление по рысканью осуществляется педалями.

См. также

• История авиации
• Автожир
• Авторотация
• Винтокрыл
• Турболёт
• Вертолётоносец
• Радиоуправляемая модель вертолёта
• Симулятор вертолётов
• Список вертолётов

Примечания

1. ↑ ^{1 2} Б. Спунда. Летающие модели вертолетов. — М., 1988. — С. 7—8.
2. ↑ Этимологический словарь русского языка. Т. 1. Под ред. Н. М. Шанского. — М., 1972. Здесь дается форма «Гелико́птёр», которая достаточно необычна. В книге «Русское литературное произношение и ударение» (под ред. Р. И. Аванесова и С. И. Ожегова. — М., 1959) предписывается форма «геликопте́р, -а [тэ́] и допустимо гелико́птер, -а [тэ]».
3. ↑ Толковый словарь русского языка. Под ред. Д. Н. Ушакова. — М., 1935. В словаре имеются также слова «автожир» и «геликоптер».
4. ↑ Л. А. Введенская, Н. П. Колесников. Этимология. Учебное пособие. — СПб.: «Питер», 2004. — С. 107.

Ссылки

• Вертолеты мира. Фото, описание, форум
• Аэродинамика вертолётов (англ.) — подробное описание явлений, связанных с полётом вертолёта. Обсуждение без формул, с картинками.
• http://www.vertolet-media.ru/
• Вадим Михеев. На небо под винтом
• Военные вертолеты

Летательный аппарат

Автожир • Аэростат • Вертолёт • Винтокрыл • Дельталёт • Дельтаплан • Дирижабль • Летающая подводная лодка • Махолёт • Мускулолёт • Планер • Мотопланер • Ракета • Ракетоплан • Самолёт • Экранолёт • Экраноплан