Как летает вертолет? Как запускают самолет и вертолет.

Многие дети хоть раз в жизни видели в небе летящий вертолет. А у кого-то может быть есть вертолет на радиоуправлении. Вертолет может быть транспортом для быстрого передвижения и участником боевых действий на войне. Он летает так, что дух захватывает и невозможно оторвать взгляд. Но как же такая тяжелая железная машина может оторваться от земли и лететь в нужном направлении?

Давайте разбираться. На крыше вертолета закреплен огромный крутящийся винт с лопастями . Он выполняет функцию крыльев. Этот винт, вместе с еще одним винтом, поменьше способен поднять вертолет вверх, задержать его в воздухе и заставить лететь. Когда винт крутится, лопасти с силой захватываю поток воздуха и, при помощи аэродинамической силы, вертолет летит.

Аэродинамическая сила – это сила, с которой воздух действует на поверхность вертолета. Благодаря вращению лопастей винта над вертолетом создается зона пониженного давления, и частички воздуха как бы выталкивают его вверх. Загребая лопастями воздух, вертолет мчится вперед. Главный винт помогает вертолету лететь прямо вперед.

А при наклоне винта изменяется аэродинамическая сила. Благодаря этому вертолет может лететь не только вперед, но и вбок или даже назад. Но как же наклонить винт, чтобы заставить вертолет лететь вбок? Для этого надо изменить угол атаки. Что такое угол атаки? Каждая лопасть винта может оборачиваться вокруг своей оси (стержня). Угол атаки – это величина, на которую может «задраться» лопасть навстречу воздуху. Когда пилот увеличивает угол атаки сразу у всех лопастей, вертолет взлетает вверх, а когда угол атаки уменьшается – вертолет опускается. Если растет угол атаки лопасти, когда она будет находиться над носом вертолета, то сзади соответственно он уменьшится и вертолет полетит назад. А если растет угол атаки у лопасти пролетающей над левым бортом – вертолет полетит направо.

Если за рычагом управления опытный пилот, вертолет может даже летать вверх ногами, то есть вверх колесами. Вернее летать он так не сможет, а сможет только делать фигуры в воздухе. Для того, чтобы «кувыркнуться» вертолету хватит аэродинамической силы. Но летать вниз лопастями долго вертолет не может. Если сравнивать вертолет с самолетом, можно найти много отличий. Самолету нужно разогнаться, чтобы взлететь и он не может держаться вертикально в воздухе, ему нужно все время лететь вперед. А вертолет может подняться вверх, например, с крыши дома, и висеть в воздухе столько времени, сколько надо. Это позволило вертолету найти применение в разных областях нашей жизни.

Если во время полета у самолета отказывают двигатели, пилот имеет шанс спланировать и спасти машину и пассажиров. Бытует мнение, что раз у вертолета нет крыльев, то он не может планировать. Неужели отказ двигателя означает гибель винтокрылой машины? Нет, вертолет может совершить посадку в режиме авторотации винта.

Режим авторотации чаще всего используется для аварийной посадки вертолета при отказе двигателя. Также она применяется, когда выходит из строя рулевой винт (или нарушается управление по рысканью), в результате чего продолжать нормальный полет невозможно.

Авторотация – это аварийный режим, который тем не менее необходимо освоить любому пилоту, но только под руководством опытного инструктора. От умения управлять вертолетом в режиме авторотации зависит жизнь экипажа и пассажиров.

Как работает авторотация

Когда несущий винт вертолета раскручивается за счет энергии двигателя, он создает нисходящий воздушный поток и функционирует по принципу пропеллера, который ориентирован в пространстве горизонтально.

Если во время полета перестает работать двигатель, скорость вращения винта начнет падать, а машина ‒ терять скорость и снижаться. В этот момент на лопасти начинает действовать набегающий снизу поток воздуха. Это воздействие, при соблюдении определенных условий, раскручивает несущий винт, который снова создает подъемную силу. В режиме авторотации винт работает как горизонтально ориентированная ветряная мельница.

Чтобы при авторотации кинетическая энергия не тратилась на вращение двигателя, в вертолетах используется обгонная муфта. Это элемент трансмиссии, который блокирует передачу крутящего момента с ведомого вала на ведущий. Обгонные муфты также используются в велосипедах. Благодаря этим устройствам педали не вращаются, когда велосипедист едет с горы по инерции.

Кстати, у гиропланов (автожиров) несущий винт вращается и создает подъемную силу только за счет авторотации. Воздушные суда этого типа похожи на вертолеты внешне, но летают они скорее по принципу самолетов.

Как посадить вертолет в режиме авторотации

Аварийная посадка в режиме авторотации входит в курс подготовки пилотов гражданских вертолетов. Алгоритм действия летчика зависит от типа воздушного судна, высоты и скорости полета, места посадки и других факторов. Схематически его можно описать так:

• Сразу после отказа двигателя пилот должен перейти на режим авторотации. Благодаря наличию муфты холостого хода несущий винт будет вращаться под воздействием набегающего снизу потока воздуха без сцепления с валом двигателя.
• Если после отказа двигателя скорость вращения винта резко снизилась, его необходимо раскрутить. Пилот должен уменьшить общий шаг до минимального. Это раскручивает винт, но уменьшает создаваемую им подъемную силу. Одновременно летчик должен оценить высоту и скорость снижения судна и установить стабилизированный режим снижения с помощью органов управления.
• Если после отказа двигателя винт вращается с высокой скоростью, машина будет снижаться довольно быстро. Это компенсируется увеличением шага, что повышает, однако, сопротивление несущего винта и уменьшает его обороты.
• За несколько метров до земли пилоту необходимо достаточно резко увеличить шаг и компенсировать увеличение угла тангажа вертолета отдачей ручки управления «от себя». Это практически останавливает горизонтальное движение машины, однако и обороты несущего винта при этом резко снижаются. Вертолет относительно плавно опускается на землю. В идеале, спуск получается почти вертикальным или с коротким пробегом.

Легкие вертолеты , например, Robinson R44, в режиме авторотации под управлением опытного пилота могут ненадолго зависать в воздухе. Благодаря этому посадка получается мягкой. Управлять тяжелыми воздушными судами при отказе двигателя сложнее. Поэтому посадить их с помощью авторотации без повреждений удается не всегда, но такие вертолеты всегда снабжены двумя двигателями, что значительно повышает уровень безопасности.

Двойной рекорд Жана Буле

Французский пилот Жан Буле в 1972 году установил за один полет сразу два рекорда, которые не побиты до настоящего времени. Летчик рассчитывал достичь рекордной высоты на своем Aérospatiale SA.315B Lama. Это ему удалось: машина поднялась на фантастическую высоту ‒ 12 442 метра над уровнем моря.

А вот второй рекорд получился спонтанным. У Жана Буле не оставалось выбора, так как на огромной высоте из-за перегрузок вышел из строя двигатель. Пилот перешел в режим авторотации и посадил машину. Летчик и его машина даже не получили повреждений.

После необычного полета Жан Буле остался в авиации. До выхода на пенсию он работал летчиком-испытателем ВВС Франции.

Авторотация – «штатный внештатный режим»

Режим авторотации позволяет мягко посадить вертолет в случае отказа двигателя. Выход из строя силовой установки – это, без сомнения, крайне опасная аварийная ситуация. В таких условиях у летчиков остается единственный шанс избежать катастрофы, но действовать необходимо быстро. Именно поэтому в программу подготовки пилотов вертолетов входит тренировка посадки в режиме авторотации. Конечно, для гарантированно мягкой посадки в тренировочных полетах за несколько метров до земли двигатель вновь запускают, но навык закрепляется и совершенствуется без малейшего вреда для воздушного судна и его экипажа.

Пилотов готовят к посадке со свободно вращающимся винтом в расчете на то, что они будут действовать в аварийной ситуации так же уверенно и спокойно, как и во время штатного полета. А это повышает безопасность пассажиров и вероятность мягкой посадки.

Подъемная сила и тяга для поступательного движения у вертолета создается с помощью несущего винта. В работе несущего винта вертолета и воздушного винта самолета есть много общего, но имеются и отличия. Сравнивая их работу, можно заметить, что при одинаковой мощности двигателя тяга несущего винта вертолета всегда больше, благодаря тому что74 диаметр несущего винта вертолета во много раз больше диаметра воздушного винта самолета. Тяга несущего винта в значительной степени зависит от его диаметра и числа оборотов.

Так, при увеличении диаметра винта вдвое тяга его увеличивается приблизительно в 16 раз; при увеличении числа оборотов вдвое - примерно в 4 раза.Несущий винт вертолета обладает исключительно важным свойством - способностью создавать подъемную силу в режиме самовращения (авторотации) в случае остановки двигателя, что позволяет вертолету совершать безопасный планирующий или парашютирующий (вертикальный) спуск и посадку. При висении и при вертикальном подъеме несущий винт (ротор) вертолета работает подобно воздушному винту. При поступательном полете ось его вращения наклоняется вперед и он работает в режиме косой обдувки

(рис. 155)
а-режим косой обдувки, б-пропеллерный режим

Когда лопасти вращаются, подъемная сила заставляет их подниматься, в то время как центробежная сила препятствует их чрезмерному закидыванию вверх, поэтому диск ротора принимает коническую форму. Скорость движения лопасти относительно воздуха неодинакова. Она меньше у оси вращения и больше у конца лопасти и, кроме того, меняется в зависимости от положения лопасти по отношению к направлению полета. Так, при вращении винта скорость лопасти, движущейся вперед, слагается из скоростей от ее вращения и поступательного движения вертолета. Для лопасти же, движущейся назад, скорость будет определяться разностью между скоростью от вращения винта и поступательного движения всей машины. Из-за меньшей скорости у лопасти, движущейся назад, будет меньше и подъемная сила. Чтобы этого не произошло, увеличивают ее угол атаки для сохранения равновесия.

При остановке мотора вертолет становится автожиром. В этом случае ротор вращается без подвода мощности в результате действия аэродинамических сил. Последние обеспечивают необходимую тягу ротора и поддерживают его вращение. Но это превращение зависит от многих факторов. Основной из них - направление обдувки ротора воздушным потоком. При моторном полете воздушный поток набегает на ротор вертолета сверху, в режиме авторотации - снизу. Для обеспечения авторотации необходима определенная скорость потока (прямого или косого), т. е. вертолет должен перемещаться относительно потока. Так, для безопасной авторотирующей посадки с режима висения аппарат должен иметь запас высоты.

По числу несущих винтов вертолеты принято классифицировать на одновинтовые, двухвинтовые и многовинтовые. Наиболее распространена одновинтовая схема. Кроме несущего, одновинтовой вертолет обычно имеет хвостовой винт. Основное назначение хвостового винта состоит в том, что он гасит реактивный момент, который стремится развернуть вертолет в полете в сторону, противоположную вращению несущего винта. Чтобы понять это явление, представим себе человека, плывущего на плоту

(рис. 156)

При попытке развернуть плот он стремится повернуться в сторону, противоположную направлению движения весла. Для того чтобы вертолет в полете не вращался, необходимо приложить к нему такой же момент, как и к несущему винту, но противоположного направления. Такой момент относительно центра тяжести вертолета и создает хвостовой винт. Момент равен произведению силы на плечо, поэтому хвостовой винт стараются расположить на хвосте так, чтобы увеличить плечо приложения силы, развиваемой этим винтом.

Вторая функция хвостового винта - путевое управление вертолетом. Это достигается путем изменения установочных углов лопастей хвостового винта, приводимого во вращение из кабины пилота с помощью ножных педалей. С изменением углов установки меняется тяга рулевого винта и нарушается равновесие реактивного момента и момента тяги хвостового винта, действующих на вертолет, что позволяет поворачивать машину в нужном направлении. Двухвинтовые вертолеты подразделяются на несколько подгрупп. К ним относятся вертолеты соосной схемы

(рис. 157, а)

При которой на одной оси расположены один над другим два несущих винта, вращающихся в противоположные стороны; вертолеты продольной схемы (рис. 157, б) с расположением несущих винтов на концах фюзеляжа; вертолеты поперечной схемы (рис. 157, в) с расположением двух несущих винтов по бокам фюзеляжа.При Двувинтовой схеме вертолета реактивные моменты одинаковых несущих винтов взаимно уравновешиваются, потому что винты вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью (поэтому на таких вертолетах нет хвостовых винтов). Вертолеты многовинтовой схемы могут иметь три, четыре и более несущих винтов.

Они обладают большой грузоподъемностью.Однако подобные вертолеты строят очень редко из-за сложности системы управления и устройства трансмиссии. Горизонтальный полет является основным режимом полета вертолета, так как он обычно занимает наибольшую часть времени полета. Необходимая тяга для поступательного горизонтального или наклонного движения вертолета создается наклоном плоскости вращения винта. При этом соответственно наклоняется и равнодействующая аэродинамических сил R на винте. В горизонтальном полете вертикальная составляющая силы R дает подъемную силу Y, уравновешивающую силу тяжести G, а горизонтальная составляющая - тягу P для движения по горизонту, уравновешивающую лобовое сопротивление X вертолета

(рис. 158)
А-плоскость вращения винта при висении, Б- при горизонтальном полёте

ВЕРТОЛЁТЫ

Рис. 1. К объяснению принципа полёта вертолёта

Несущий винт (НВ) служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе.
При вращении в горизонтальной плоскости НВ создает тягу (Т), направленную вверх и т.о. выполняет роль создателя подъёмной силы (Y). Когда тяга НВ будет больше веса вертолета (G), вертолет без разбега оторвется от земли и начнет вертикальный набор высоты. При равенстве веса вертолета и тяги НВ вертолет будет неподвижно висеть в воздухе. Для вертикального снижения достаточно тягу НВ сделать несколько меньше веса вертолета. Сила (P) для поступательного движения вертолета обеспечивается наклоном плоскости вращения НВ при помощи системы управления винтом. Наклон плоскости вращения НВ вызывает соответствующий наклон полной аэродинамической силы, при этом ее вертикальная составляющая будет удерживать вертолет в воздухе, а горизонтальная - вызывать поступательное перемещение вертолета в соответствующем направлении.

Рис. 2. Основные части вертолета:

1 – фюзеляж; 2 – авиадвигатели; 3 – несущий винт; 4 – трансмиссия;5 – хвостовой винт;
6 – концевая балка; 7 – стабилизатор; 8 – хвостовая балка; 9 – шасси

Фюзеляж является основной частью конструкции вертолета, служащей для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудо-вания. Он имеет хвостовую и концевую балки для размещения хвостового винта вне зоны вращения НВ, и крыла (на некоторых вертолетах крыло устанавливается с целью увеличения максимальной скорости полета за счет частичной разгрузки – (МИ-24)). Силовая установка (двигатели) является источником механической энергии для приведения во вращение несу-щего и рулевого винтов. Она включает в себя двигатели и системы, обеспечивающие их работу (топливную, масляную, систему охлаждения, систему запуска двигателей и др.).
НВ служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе, и состоит из лопастей
и втулки НВ. Трансмиссия служит для передачи мощности от двигателя к несущему и рулевому винтам. Составными элементами трансмиссии являются валы, редукторы и муфты. Рулевой винт (РВ) (бывает тянущий и толкающий) служит для уравновешивания реактив-ного момента, возникающего при вращении НВ, и для путевого управления вертолетом. Сила тяги РВ создает момент относительно центра тяжести вертолета, уравновешивающий реактивный момент от НВ. Для разворота вертолёта достаточно изменить величину тяги РВ. РВ так же состоит из лопастей и втулки.

Система управления (СиУпр) вертолета состоят из ручного и ножного управления. Они включают командные рычаги (ручку управления, рычаг «шаг-газ» и педали) и системы проводки к НВ и РВ. Управление НВ-ом производится при помощи специального устрой-ства, называемого автоматом перекоса. Управление РВ производится от педалей.

Взлетно-посадочные устройства (ВПУ) служат опорой вертолета при стоянке и обеспе-чивают перемещение вертолета по земле, взлет и посадку. Для смягчения толчков и ударов они снабжены амортизаторами. Взлетно-посадочные устройства могут выполняться в виде колесного шасси, поплавков и лыж.

Рис. 3. Общий вид конструкции вертолёта (на примере боевого вертолёта МИ-24П).

Инструкция

Еще Леонардо да Винчи в своих гениальных заметках указывал, что для совершения полета нужно не взмахивать крыльями, а сообщить им горизонтальную скорость и позволить двигаться относительно воздуха. При взаимодействии плоского крыла с воздушными массами должна будет возникнуть подъемная сила, которая превысит вес летательного аппарата, считал легендарный изобретатель. Но пришлось ждать несколько столетий, прежде чем этот принцип был реализован.

Экспериментаторы довольно успешно проводили опыты с плоскими крыльями. Расположив такую пластину под небольшим углом к потоку воздуха, можно было наблюдать, как возникает подъемная сила. Но появляется также и сила сопротивления, которая стремится сдуть плоское крыло назад. Исследователи назвали угол, под которым поток воздуха действует на плоскость крыла, углом атаки. Чем он больше, тем большие значения принимают подъемная сила и сила сопротивления.

На заре авиации исследователи обнаружили, что наиболее эффективный угол атаки для крыла плоской формы составляет 2-9 градусов. При меньшем значении не получится создать необходимую подъемную силу. А если угол атаки будет чрезмерно большим, возникнет ненужное сопротивление движению – крыло попросту превратится в парус. Отношение подъемной силы к силе сопротивления ученые назвали аэродинамическим качеством крыла.

Наблюдения за птицами показали, что крылья у них совсем не плоские. Оказалось, что высокие аэродинамические качества мог обеспечить только выпуклый профиль. Набегая на крыло, имеющее выпуклую верхнюю часть и плоскую нижнюю, поток воздуха делится на две части. Верхний поток имеет более значительную скорость, поскольку ему приходится проходить большее расстояние. Возникает разница давлений, которая создает силу, направленную вверх. Увеличить ее можно, отрегулировав угол атаки.

Современные самолеты имеют значительный вес. Но возникающая в момент взлета подъемная сила позволяет тяжеловесной конструкции оторваться от поверхности земли. Секрет кроется в правильно подобранном профиле крыльев, в точном расчете их площади и угла атаки. Будь крыло самолета абсолютно плоским, совершить полет на аппарате тяжелее воздуха было бы невозможно.

Подъемная сила используется не только при взлете и удержании самолета в воздухе. Она нужна также для управления воздушным судном в полете. Для этого крылья делят на ряд подвижных элементов. Такие закрылки при совершении маневров меняют свое положение относительно неподвижной части крыла. У самолета имеется горизонтальное оперение, выполняющее функцию руля высоты, и вертикальное оперение, которое служит рулем направления. Подобные элементы конструкции гарантируют летательному аппарату устойчивость в воздухе.