Замечали, что у разных вертолетов разное количество лопастей? Если нет, обратите внимание на фотографии ниже.
Почему так? Наверняка же должно быть какое-то оптимальное количество лопастей, и за 100 лет существования вертолетов инженеры уж точно должны были прийти к общему знаменателю?
Так и есть, количество лопастей несущего винта вертолета является результатом строгого инженерного компромисса между эффективностью, прочностью, вибрациями и безопасностью. Основная задача винта — создать подъемную силу, отбрасывая вниз массу воздуха. Обывателю может показаться, что чем больше лопастей, тем лучше, но это не совсем так. Подъёмная сила винта, действительно, будет больше, но при вращении каждая лопасть создаёт позади себя возмущения и завихрения, что резко снижает эффективность последующих лопастей.
С этой точки зрения эффективнее сделать всего одну лопасть, но на практике это нерационально из-за колоссальных нагрузок. Вес машины и динамические силы пришлось бы держать единственной лопасти и втулке, что потребовало бы большого веса самой конструкции и привело к чудовищному дисбалансу.
Поэтому нагрузку распределяют на несколько лопастей. Ключевой параметр здесь — удельная нагрузка на ометаемую винтом площадь, или «дисковая нагрузка». Если не грузить профессиональными терминами, а просто добавить вторую лопасть, то будет гораздо лучше, чем с одной, но и у этой конструкции будут свои недостатки. Из-за того, что подъёмная сила ощутимо меняется от момента, когда лопасти параллельны курсу до момента, когда они перпендикулярны ему, возникают очень сильные вибрации. Кроме того, двухлопастные вертолеты довольно опасны при маневрах. По этой причине многие конструкторы предпочитают снижать эффективность и дальше, добавляя третью лопасть. Это удорожает и усложняет конструкцию, но вертолет ведёт себя гораздо стабильнее. Казалось бы, вот она золотая середина — три лопасти. Но нет. Три лопасти хороши для лёгких вертолетов, а тяжёлый они просто не поднимут. Дело в том, что при росте массы аппарата возрастает нагрузка на винт в целом и каждую лопасть в отдельности.
Увеличение числа лопастей при том же диаметре винта снижает эту нагрузку, повышая эффективность на малых скоростях и в режиме висения. Однако с ростом количества лопастей растет и сложность системы — втулка становится массивнее, а механизм управления — дороже.
Можно, конечно, сделать лопасти длиннее и даже решить проблему огромного веса конструкции при помощи композитных материалов, но тогда возникает другая фундаментальная проблема, именуемая концевой скоростью лопастей. Когда скорость концов лопастей приближается к скорости звука, возникает волновой кризис — резко растёт сопротивление и вибрации. Чтобы сохранить тягу, не переходя звуковой барьер, можно либо уменьшить диаметр винта (что уменьшает подъёмную силу), либо увеличить число лопастей, сохранив общую площадь. Это делает конструкцию сложнее, дороже и снижает эффективность каждого отдельно взятого винта, но именно этот путь оказывается предпочтительнее.
На самом деле есть ещё масса проблем, которые инженеры пытаются решить. Одна из них — живучесть. Современные несущие системы проектируются так, чтобы вертолет мог продолжить управляемый полет после повреждения одной лопасти. Нагрузка перераспределяется на оставшиеся, что позволяет совершить аварийную посадку. Это невозможно реализовать с винтом, имеющим менее трех лопастей. По этой причине двухлопастныые вертолеты — это дешёвая экзотика частных авиаперевозок, где цена играет решающую роль, а полёты проходят в основном над населенными пунктами на небольшие расстояния, большая скорость и грузоподъёмность не нужны.
Если же говорить про большинство пассажирских и многоцелевых вертолетов, то их инженеры стремятся делать с четырьмя, пятью и более лопастями.
Таким образом, выбор количества — это поиск оптимальной точки для конкретных задач машины. Двухлопастные системы (Robinson R22) дёшевы и просты.
Четырех- и пятилопастные (Airbus H145, Ми-8) обеспечивают мощь, стабильность и комфорт.
Самый большой в мире вертолёт Ми-26 имеет 8 лопастей, без которых не обойтись при его массе и грузоподъёмности.
Ставьте лайк, если дочитали, подписка на Телеграм по желанию, а я подобрал для вас ещё несколько интересных статей: