Вертолеты — одни из самых интересных летательных аппаратов с точки зрения конструкции. Их характерной особенностью является использование горизонтальных роторов, с которыми мы их почти всегда ассоциируем. Вертолеты, однако, также имеют второй винт, расположенный на хвосте. В этом тексте мы проверим, почему это важная часть конструкции, как она работает и зачем вообще нужна.
Подавляющее большинство вертолетов, с которыми мы сталкиваемся , имеют конструкцию с одним ротором . Реже используется соосная или многороторная компоновка. Что важно, однако, упоминание об одном несущем винте не означает, что вертолет фактически оснащен только одним таким элементом. На самом деле у него два несущих винта, в том числе один хвостовой винт, намного меньшего размера и обычно установленный вертикально или почти вертикально (что, впрочем, как вы увидите, не обязательно). Некоторые из вас наверняка задавались вопросом, зачем вообще используется такой элемент.
В одновинтовых вертолетах, на которых мы сосредоточимся в этом тексте, основную часть работы выполняет несущий винт с горизонтальными лопастями. При вращении он создает тягу , которая позволяет вертолету зависать вверх и двигаться вперед, назад и вбок. При проектировании первых вертолетов обычно использовались двухроторные системы, в которых каждый винт вращался в другом направлении. Использование 50 процентов крутящий момент для одного ротора и 50 процентов. для второго, вращающегося в обратном направлении, общий вектор крутящего момента был равен 0. Как вы можете догадаться, с одним ротором это невозможно.
Такая конструкция не могла быть устойчивой, что прямо следует из третьего закона движения Ньютона . Предполагается, что когда тело А действует на тело В, тело В действует на тело А с такой же силой в том же направлении, но в другом направлении . Ну вот и проблема. Если несущий винт вращается влево, корпус «хочет» вращаться вправо. Ротор вертолета должен вращаться с высокой скоростью, чтобы создать достаточную подъемную силу. В таком случае и противодействующая сила, принципиально препятствующая всякому бегству, будет столь же велика. Ну, если кто-то не хочет быстро крутиться в одном направлении, не имея никакого влияния на то, в каком направлении они летят.
Инженеры знали об этой проблеме, к которой Игорь Сикорский присмотрелся. Именно он предложил проект с установленным на нем дополнительным винтом в названии вертолета, который сейчас называют классическим . Этот ротор используется для создания тяги, толкающей хвостовую балку в направлении, противоположном крутящему моменту, создаваемому несущим винтом . Когда тяга системы уравновешивания крутящего момента совпадет с крутящим моментом, создаваемым несущим винтом, вертолет останется направленным вперед после отрыва от земли.
Само предположение довольно интересное, но в нем есть свои очень серьезные недостатки, неизвестные в других конфигурациях. Во-первых, это потребляемая мощность хвостового винта . Несущий винт, расположенный на балке, приводится в движение основной силовой установкой вертолета и вращается со скоростью, пропорциональной скорости несущего винта. Отсутствие собственного драйва означает, что от 10 до даже 30 процентов. мощность двигателя идет на хвостовой винт. Конечно, нельзя сказать, что эта мощность тратится впустую, но такая потеря значительна в контексте возможного использования одновинтовых вертолетов. Достаточно сказать, что большинство мощных транспортных вертолетов используют двухвинтовую схему.
Сами несущие винты тоже не очень прочные и могут сломаться в вынужденном полете. Вертолеты представляют собой относительно легкие конструкции, поэтому рулевой винт чаще всего изготавливают из композитного материала, используя алюминий или пластифицированную бумагу с сотовой структурой. Отдельно стоит упомянуть очень ограниченный срок службы как хвостового винта, так и редуктора. Интересно, что даже поврежденный винт сразу не означает, что вертолет обязательно разобьется — при правильном импульсе и наличии вертикального стабилизатора конструкция может иметь относительно определенную устойчивость, необходимую для безопасной аварийной посадки.
Теперь давайте рассмотрим сами типы антимоментных систем. Безусловно, самой популярной является уже упомянутая классическая система с многолопастным ротором . В таком наборе пилот меняет уровень вращения, регулируя таким образом создаваемую тягу. Для этого используются педали — при нажатии на левую вертолет начинает вращаться влево. Интересно, что некоторые производители вертолетов используют роторы с вращением по часовой стрелке, а некоторые — против часовой стрелки. Отсюда следует, какая из педалей является так называемой «Педаль мощности», перемещающая нос вертолета против крутящего момента. Мощность в названии относится к мощности двигателя, которая в данном случае должна быть большой.
Чем больше лопастей в винте, тем больше тяга обычно создается . Поэтому в самых мощных вертолетах с одним винтом мы не найдем бипланного рулевого винта, потому что он должен был бы быть очень большим. Большой пропеллер означает больший риск повреждения, например, после зацепления за растительность, поэтому модели с большим количеством более коротких лопастей гораздо более разумны.
Второй системой, также ассоциируемой у большинства, является Фенестрон , используемый в Eurocopters, а теперь и в Airbus Helicopters. Эта конфигурация имеет мало общего с предыдущей, хотя есть и заметные отличия. Фенестрон основан на пропеллере, который размещен в специальном канале в хвостовой части вертолета. Канал, в свою очередь, интегрирован с хвостовой балкой и чаще всего изготавливается из стеклопластика. Рабочее колесо состоит не менее чем из 8 и даже из 18 лопастей, а его диаметр намного меньше, чем у классической модели. Более того, он вращается намного быстрее и на 25 процентов быстрее. более эффективен, чем обычный рулевой винт.
К его несомненным преимуществам также можно отнести значительно меньший уровень шума и меньшую вибрацию. За счет большей массы и сопротивления воздуха мы получаем и больший уровень безопасности - ротор прикрыт. Некоторые пилоты также хвалят Фенестрон за обеспечение лучшей управляемости и маневренности при движении по вертикальной оси. Сам контроль угла наклона ротора осуществляется точно так же, как и в классической системе.
Как оказалось, система балансировки вообще не обязательно должна иметь ротор. Ярким примером является NOTAR , представленный в 1981 году. Эта система состоит из моторизованного вентилятора с регулируемым шагом, который установлен перпендикулярно внутри хвостовой балки. Его цель состоит в том, чтобы производить большое количество воздуха низкого давления для выхода через горизонтальные прорези с правой стороны хвостовой части и через вращающийся «реактивный двигатель» в самом конце стрелы. По мере увеличения мощности увеличивается шаг лопастей вентилятора, что одновременно способствует увеличению воздушного потока. Вот как NOTAR может противодействовать увеличению крутящего момента несущего винта.
Интересен тот факт, что в этой системе на практике используется эффект Коанда . Это физическое явление, при котором поток жидкости (в данном случае воздуха, т.е. газа) прилипает к ближайшим поверхностям. Воздух низкого давления выбрасывается вдоль хвостовой балки, которая действует как трубка Вентури .. Справа от хвостовой балки образуется область низкого давления, которая тянет всю балку вправо. Преимущество этой технологии в том, что она на сегодняшний день самая тихая из всех перечисленных вариантов. Также нет опасений повреждения вращающихся частей элементами окружающей среды или потери здоровья или жизни людей, работающих на вертолете. Также значительно снижается вибрация. К сожалению, у НОТАРА есть и один главный недостаток — его КПД не так высок, как у классического рулевого винта, поэтому для достижения стабилизации требуется большая мощность.
Вертолетостроителям, конечно, вовсе не обязательно использовать описанные выше технологии и полагаться на несколько альтернатив. Наиболее популярны, конечно же, тандемные роторы, о которых мы уже упоминали. Существуют также коаксиальные конструкции, используемые напр. в таких вертолетах, как Камов Ка-50 или Сикорский Х2, у которых винты вращаются вокруг одной оси, но в противоположных направлениях. Особенно интересны агрегаты с системой Флеттнера, также известной как крестовая система. В нем используются два перекрывающихся ротора, расположенных один над другим и повернутых друг к другу под острым углом. Последней известной альтернативой является специальное сопло, использующее сжатый воздух для создания реактивной тяги.
Как видите, рулевые винты играют огромную роль в обеспечении устойчивости вертолета, и хотя существуют решения, способные их заменить, вряд ли они навсегда заменят стандартную систему. Этот не только проще, но и дешевле в постройке, к тому же он годами отлично работает.
