Ранее я уже описывал ситуацию с возможностью планирующего полёта любого самолёта при отказе двигателя.
Но что произойдёт при таком же отказе двигателя у вертолёта, который и так вроде никуда не летит, а лишь висит в воздухе? Да и крыльев у вертолёта никаких нет в привычном понимании.
Тем не менее у вертолёта есть режим «планирующего полёта», который называют «авторотацией».
Что такое «авторотация»?
Авторотацией (самовращением) называют самопроизвольное вращение ротора воздушного винта под действием набегающего потока воздуха.
Как мы выяснили в моей статье про несущую способность лопастей вертолёта, лопасть вертолётного крыла- это точно такое же обычное планерное крыло, только с иным способом удержания в прямом состоянии под нагрузкой.
Таким образом на вертолётные крылья распространяются те же принципы, что и на крылья обычных планеров самолётов.
Так при отказе двигателя вертолёта нужно по аналогии с самолётом перевести крыло на меньшие углы атаки, обеспечив перевод направления вектора ПАС (полное аэродинамическое сопротивление) крыла в вертикальное положение.
Угол Апас такого поворота тангажа крыла на планирующий полёт однозначно определяется величиной арккотангенса от качества К крыла.
Апас= arcсоtan (К)= arctan (1/К)
К= Су/Сх
С какой скоростью будет снижаться вертолёт в режиме авторотации?
А это зависит от скорости вращения лопастей вертолёта в рабочем режиме и величины К лопастей.
Для вертолёта Ми-8 справочная скорость вращение концов лопастей соответсвует 192м/с.
Таким образом при авторотации лопастей с К=20 скорость вертикального снижения составит 192/20=9,6м/с.
Мягкой посадку со скоростью 9,6 м/с назвать затруднительно.
Это как прыжок с высоты 4,7м или из окна второго этажа с потолками 2,5м в доме и высоким цоколем высотой 1м.
Даже сверхвысокое качество лопасти с К= 25 понизит скорость приземления лишь до 7,7м/с.
То есть прыжок придётся совершать с высоты всего около 3м.
Относительно «мягкой» посадкой считается приземление с вертикальной скоростью 5м/с, что соответствует прыжку с высоты 1,3м.
Для получения такой вертикальной скорости снижения в режиме авторотации необходимо качество лопасти около К=40 или нужно снижать в 4 раза нагрузку на отдельную лопасть, чтобы можно было понизить скорость вращения лопастей в 2 раза.
Вертолёт с такой характеристикой построить вполне можно, но летать на обычных режимах он будет хуже, при этом технически он будет сложнее и тяжелее при неизменной полезной нагрузке.
В истории техники были созданы конструкции летательных аппаратов, для которых режим авторотации был основным. Произошло это ещё в 1920-х годах, а назывались эти удивительные винтокрылые летательные аппараты Автожирами.
Автожир был изобретен в 1919 году испанским инженером Хуаном де ля Сиерва (первый удачный пролёт в 1923г).
Автожир- это гениальное инженерное изобретение , созданное на стыке несовершенств сразу в трёх смежных областях науки и техники: сопромат (прочность крыльев), машиностроение (двигателе и редукторостроение) и аэродинамика.
Ограничения сопромата и отсутствие лёгких и прочных материалов не позволяли создать тонкое и длинное крыло с высоким К, способным удержать сколько-нибудь значимый вес в конструкции обычного самолёта (планера).
Несовершенство в развитии машиностроения ещё не могло позволить выпустить достаточно лёгкие мощные двигатели и надёжные лёгкие редукторы к ним для привода несущего винта вертолёта.
Аэродинамика и вовсе находилась в зачаточном состоянии, не имея никакой внятной конструктивной теории создания подъёмной силы крыла (нет до сих пор) и только-только начавшая продувать макеты самолётов в аэродинамических трубах для выяснения их характеристик до начала реальных полётов на них.
В этих условиях гениальный испанский авиаконструктор создал конструкцию, которая одним махом обошла все эти недостатки, за счёт нетрадиционного динамического их компенсирования в конструктивных решениях.
Так недостаточно прочное и гибкое тонкое крыло с высоким показателем качества К он заставил работать на растяжение, а не на изгиб, превратив крыло планера в лопасть несущего крыла винтокрылой машины.
Недостаток мощности двигателей и тяжёлые редукторы для создания потенциально возможного вертолёта были компенсированы заменой активного винта на режим авторотации буксируемого несущего винта вообще без силового привода на ступицу.
В итоге невозможность создания крыла с высоким качеством и при этом с высокой нагрузочной способностью на низких скоростях (что заявляла Аэродинамическая наука), была компенсирована заменой неподвижного крыла на горизонтальное буксирование несущего винта с обычными лопастями в режиме авторотации за обычным самолётом без крыльев с обычным штатным авиационным двигателем и тянущим винтом.
То есть Автожир представлял собой обычный тогда биплан, к которому вместо крыльев сверху на пассивной стойке прикрутили несущий винт с тонкими длинными узкими лопастями (см.рис.1.А). При этом этот самораскручивающийся (авторотирующий) при разбеге автожира винт мог поднять в воздух ту же нагрузку, что и исходный биплан, имевший два огромных по площади толстых крыла традиционного вида (см.рис.1.Б)
Благодаря высокому качеству крыла у лопастей автожира, недостижимого у широких толстых несущих крыльев тогдашних бипланов, автожир мог обеспечить практически такие же лётные характеристики, как и у полноценных самолётов того времени, при этом значительно выигрывая у самолётов в безопасности полётов и возможности совершать взлёты и посадки с коротких взлётных площадок плохого качества.
На короткое время в середине 1920-х годов винтокрылые автожиры и классические самолёты обладали почти одинаковыми лётными характеристиками, а по некоторым параметрам автожир даже выигрывал у самолётов.
Уже в 1930-х с ростом мощностей двигателей и скоростей полёта самолёты обогнали автожиры по эффективности и по популярности в авиации, после чего к началу 40-х годов автожиры плавно вышли из обращения, а потом и вовсе были надолго забыты.
Что же обеспечило такой рывок Автожиров на фоне достаточно низкой технологичности авиации начал 20-го века, тогда как вертолётостроение стало активно развиваться уже на высочайшей технологической базе параллельно с развитием современной реактивной авиации?
Ответ в том, что автожир заполняет нишу тихоходной малоразмерной авиации, при этом обеспечивает удивительные эксплуатационные свойства минимальными техническими средствами.
Так низкие взлётные и посадочные скорости обеспечивались в авиации огромными площадями двухярусных крыльев, а ровно те же взлётные характеристики обеспечивались на автожире тонкими узкими и лёгкими лопостями, свободно вращающимися в набегающем потоке воздуха.
Налицо выигрыш в материалоёмкости и надёжности. При этом экономия веса на крыльях достигнута не применением высококачественных материалов с высокими прочностными свойствами, а лишь за счёт принципиального изменения характера нагружения лопасти, когда изгибная нагрузка в толстом крыле заменена на чистое растяжение в тонкой вращающейся лопасти автожира.
Вместо падения на авторотации со скоростью 5м/с, как при мягкой посадке вертолёта, автожир использует горизонтальный полёт со скоростью всего 10-15 м/с (36-54км/ч) при круто задраном на ветер роторе несущего винта под углом около 20-30 градусов (большее значение угла для меньшей скорости). Скорость в 100-120км/ч автожир достигает уже при практически горизонтальном наклоне плоскости винта, но теперь уже с большим перекосом лопастей в бок.
Так летящая вперёд лопасть имеет значительно более высокую скорость, чем лопасть, вращающаяся против полёта в этот момент. На высоких скоростях полёта автожира случается, что скорость обратно вращающейся лопасти может быть даже около нулевой или лететь попутно вперёд. При этом подъёмная сила обратной лопасти падает до околонулевых значений, а основную нагрузку принимает на себя вращающаяся вперёд (забегающая) лопасть, летящая с суммарной скоростью от вращения и полёта.
При такой перегрузке лопасть сильно отгибается вверх с увеличением угла Ал1, что приводит к увеличению возвратной составляющей центробежной силы на лопасти (см.рис.2)
Обратно вращающаяся (отстающая) лопасть летит уже почти горизонтально с малыми углами Ал2 или даже с малым отклонением вниз (создавая на отрицательных углах отрицательную подъёмную силу).
В итоге на втулке ротора возникает направленая вбок сила, постоянно сдвигающая автожир в полёте в одну стророну (дрейф). Для компенсации такого дрейфа в полёте приходится достаточно заметно отклонять направление фюзеляжа от курса полёта, чтобы тяговым винтом автожира скомпенсировать силу дрейфа на перекошенном несущем винте.
Такой же перекос лопастей проявляется и на современных вертолётах, но только он визуально менее заметен из-за больших исходных скоростей вращения лопастей несущих винтов современных вертолётов.
На скоростных вертолётах отстающая лопасть на значительной части своей длины имеет поступательную скорость против вращения при быстром полёте, что даже приходится учитывать в форме самой лопасти, делая заднюю кромку лопасти скруглённой на внутренней половине лопасти для уменьшения сопротивления при движении навстречу воздуху.
Для компенсации проблем от перекоса несущего винта в горизонтальном полёте пытаются применять сложные схемы с двумя встречно вращающимися винтами как на автожирах, так и на вертолётах.
Для автожиров применение двух встречно вращающихся винтов не прижилось , так как это резко усложняет изначально простую конструкцию автожира, не сильно добавляя эксплуатационных преимуществ.
Ну, а для вертолётов применение соосной схемы вылилось в рождение отдельного класса специальных вертолётов, которые в силу конструктивных особенностей можно применять в стеснённых условиях (палубная и спасательная авиация), где сложно применить классический одновинтовой вертолёт с рулевым пропеллером на хвосте. (См.рис.3.)
Кроме соосной схемы вертолётов встречаются ещё и схемы со скрещивающимися винтами (см.рис.4). В этой схеме оси винтов не совпадают, а несколько разнесены и отклонены друг от друга, при этом лопасти вращаются в противофазе. По сути скрещивающиеся винты не способны компенсировать полностью проблему перекоса несущих винтов в полёте, а лишь компенсируют дрейф.
Проблема скрещенных винтов в создаваемой сильной вибрации из-за сдвига по фазе вращения винтов, которая передаётся на корпус при проходе горизонтального силового импульса от винта к вину через корпус, в отличии от непосредственно связанных общей осью соосных винтов.
Схема с соосными винтами также подходит для создания скоростных вертолётов, когда скорость полёта вертолёта превышает скорость лопастей при вращении, а разгон осуществляется отдельным толкающим винтом по-самолётному. (см.рис.5)