Вертолёт: воздушный транспорт – описание и особенности конструкции

Вертолёт: воздушный транспорт – описание и особенности конструкции

Вертолёт — воздушная машина,, приводимая в движение одним или несколькими горизонтальными винтами. Каждый горизонтальный винт содержит две или более лопасти. Вертолёты классифицируются как винтокрылые аппараты (воздушные суда с несущим винтом), что отличает эти машины от самолётов.

Вертолёт — технические особенности воздушной машины

Классическая конструкция вертолёта получает подъемную силу от лопастей винта, вращающегося по кругу относительно мачты винта.

Термин «вертолёт» заимствован от французского словосочетания «hélicoptère». Автор словосочетания — Густав де Понтон д’Амекур.

В свою очередь, придуманное словосочетание состоит из  пары греческих слов «helix / helikos» (спираль / поворот) и «pteron» (крыло).

Главным преимуществом конструкции летательного аппарата подобного типа являются лопасти несущего винта, что вращаются в воздухе. За счёт лопастей обеспечивается подъёмная сила, фактически исключающая движение аппарата вперёд по горизонтали.

Такой, своего рода лифт, позволяет вертолёту зависать в одной области (точке), а также взлетать и приземляться вертикально без использования взлётно-посадочных полос. По этой причине вертолёты часто используются в районах, где невозможно использовать самолёты.

Пилотирование вертолёта требует специальной подготовки:

  • адекватной,
  • целенаправленной,
  • ориентированной на безопасность.

Пилотирование подобной техники также требует постоянного внимания к машине и рабочей среде. Пилоту необходимо работать в трёх измерениях, постоянно использовать обе руки и обе ноги, чтобы поддерживать вертолёт в нужном положении.

Координация, синхронизация и управление касанием – всё это используются одновременно в процессе полёта на вертолёте.

Интересный момент – вертолётные конструкции были разработаны и фактически изготовлены задолго до начала серийного производства. Только в 1942 году конструкция машины, представляющая проект Игоря Сикорского, была запущена в серийное производство.

Вертолёт и конструктор Игорь Сикорский
Игорь Сикорский – знаменитый конструктор, разработчик уникальных аппаратов, демонстрирующих высокие технические характеристики и функциональность

Всего на базе проекта Игоря Сикорского изготовили и выпустили 131 летательную машину. Несмотря на то, что большинство предыдущих проектов использовали более одного основного ротора, конструкция Сикорского была единственной, где использовался основной ротор с антикоррозионной конфигурацией хвостового винта.

Разработка надёжного воздушного транспорта

Надёжные вертолеты, приспособленные к стабильному полёту, начали эксплуатироваться спустя десятилетия после появления самолётов. Во многом этот факт связан с более высокими требованиями к удельной мощности двигателя, чем для самолётов с неподвижным крылом.

Усовершенствования топлива и двигателей в течение первой половины 20-го века были критическими факторами в развитии вертолётостроения. Наличие лёгких турбовальных двигателей во второй половине 20-го века привело к разработке более крупных, более быстрых и высокопроизводительных вертолётов.

Небольшие и относительно недорогие вертолёты и теперь используют поршневые двигатели, тогда как турбовальные двигатели являются более предпочтительными. Турбинный двигатель имеет следующие преимущества перед поршневым двигателем:

  1. Меньший уровень вибраций.
  2. Лучшие лётно-технические характеристики.
  3. Повышенная степень надёжности.
  4. Простая эксплуатация.

По причине уникальных эксплуатационных характеристик вертолёта – способностей этой машины:

  • взлетать и приземляться вертикально,
  • зависать в течение длительных периодов времени,
  • поддерживать низкую скорость полёта,

был выбран турбовальный газотурбинный двигатель. Это удачный выбор для выполнения задач, которые невыполнимы другими машинами или требуют слишком много времени для подготовки на земле.

Современные вертолёты используются для транспортировки, строительства, пожаротушения, поисковых и спасательных мероприятий, а также для множества других работ, требующих специальных возможностей.

Вертолёт – конструкция роторной системы винта

Роторная система вертолёта – модуль с эффектом вращения, которым генерируется подъёмная сила. Роторная система допускает установку горизонтально и вертикально. В случае наклонных роторов применяется гондола, которая вращается на краю крыла.

Такая конструкция позволяет перевести ротор из горизонтального установленного положения, в вертикальное установленное положение.

Вертолёт - конструкция винтового механизма машины
Конструкция винта вертолёта, основными компонентами которой являются три механические детали: 1 – лопасть; 2 – мачта; 3 — ступица

Роторная конструкция содержит:

  • мачту,
  • ступицу,
  • лопасти.

Мачта представлена полым цилиндрическим металлическим валом, направленным вверх, приводимым в движение трансмиссией. В верхней части мачты находится точка крепления лопастей ротора — ступица. Соответственно, лопасти ротора прикрепляются непосредственно к ступице.

Системы главного ротора классифицируются в зависимости от того, как лопасти основного ротора прикреплены и перемещаются относительно ступицы основного ротора. Существует три основных классификации крепления:

  1. Полужёсткое,
  2. Жёсткое.
  3. Шарнирное,

Однако некоторые современные роторные системы предполагают использование специально разработанной комбинации указанных типов.

Для вертолёта с одним несущим винтом создаётся крутящий момент, когда двигатель вращает ротор. Этот крутящий момент заставляет корпус вертолёта вращаться в противоположном направлении от ротора (третий закон Ньютона: каждое действие имеет равную и противоположную реакцию).

Чтобы устранить этот эффект, необходимо использовать какой-либо контроль защиты от импульсов с достаточным запасом мощности. Тогда вертолёт удерживает курс и стабилизирует неустойчивое движение.

Тремя наиболее распространенными элементами управления, используемыми в современных конструкциях, являются:

  • традиционный хвостовой винт,
  • фенестрон (рулевой винт вентиляторного типа),
  • хвостовой винт NOTAR.

Конфигурация роторной системы вертолёта

Большинство вертолётов имеют один основной ротор, но для преодоления крутящего момента, который представляет собой вращающую или крутящую силу, требуется отдельный ротор. Это достигается с помощью переменного шага, противоточного ротора или хвостового ротора.

Вертолёт - конструкция машины с коаксиальным ротором
Конструкция аппарата, где в качестве тягового силового элемента применяется так называемый коаксиальный ротор

Такую конструкцию использовал Игорь Сикорский для  вертолёта VS-300, которая стала общепризнанным вариантом для дизайна вертолёта, независимо от последующих изменений.

Конструкция несущего винта вертолёта разных производителей допускает вращение в одном из двух разных направлений (по часовой стрелке или против часовой стрелки).

Конструкция ротора тандемного типа

Вертолеты, оснащённые тандемным ротором (двойным ротором) имеют два больших горизонтальных роторных узла вместо одного основного узла и меньшего хвостового винта. Вертолётам с одним ротором необходим хвостовой ротор для нейтрализации крутящего момента, создаваемого одним большим ротором.

Однако вертолёты с тандемным ротором используют вращающиеся в противоположных направлениях винты, каждый из которых компенсирует крутящий момент другого.

Вращающиеся в противоположных направлениях лопасти ротора исключают столкновение и разрушение, если сгибаются на пути другого ротора. Эта конфигурация имеет преимущество в том, что выдерживает больший вес с более короткими лопастями, поскольку существует два набора лопастей.

Кроме того, всю мощность двигателей допустимо использовать для подъёма, тогда как вертолёту с одним ротором необходимо использовать некоторую мощность для противодействия крутящему моменту основного ротора. По этой причине вертолёты, оснащённые тандемным ротором, составляю парк самых мощных и быстрых машин.

Примерно в этой же плоскости рассматриваются коаксиальные роторы, представляющие пару роторов, вращающихся в противоположных направлениях, но установленных на мачте с одинаковой осью вращения — одна над другой.

Такого типа конфигурация является характерной особенностью вертолётов, выпускаемых российским вертолётным конструкторским бюро имени Камова.

Конструкция роторов взаимного зацепления

Роторы взаимного зацепления представляют собой набор из двух роторов, вращающихся в противоположных направлениях, при этом каждая роторная мачта установлена на вертолёте под небольшим углом. Такое построение  обеспечивает соприкосновение без столкновения.

Вертолёт - исполнение машины с роторами взаимного зацепления
Исполнение летательной машины, тяговую систему которой составляют роторы взаимного зацепления или проще – перекрещивающиеся рабочие винты

Подобное исполнение позволяет вертолёту функционировать без использования хвостового винта. Машина обладает высокой стабильностью и мощной грузоподъёмностью. Конфигурация в таком исполнении называется — синхроптер.

Устройство было разработано в Германии с целью применения на небольшом противолодочном вертолёте «Flettner Fl 282 Kolibri». Американской компанией «Kaman Aircraft» выпускалась машина «HH-43 Huskie» для пожаротушения с такой же роторной системой. Последняя модель «Kaman K-MAX» — это специальная конструкция для кранов, используемых в строительстве.

Конструкция хвостовой роторной системы вертолёта

Хвостовой винт представляет собой малую по размеру роторную систему, установленную вертикально или почти вертикально на хвосте традиционного вертолёта с одним винтом.

Хвостовой ротор либо толкает, либо отталкивает, формируя противостояние крутящему моменту. Система привода хвостового винта состоит из приводного вала, приводимого в действие от главной передачи, и коробки передач, установленной на конце хвостовой балки.

Приводной вал может состоять из одного длинного вала или серии более коротких валов, соединённых с обоих концов гибкими муфтами. Гибкие муфты обеспечивают гибкость вала привода относительно хвостовой балки.

Редуктор на конце хвостовой стрелы обеспечивает угловой привод для хвостового ротора и может также включать в конструкцию зубчатую передачу для регулировки мощности на оптимальной скорости вращения.

Вертолёт - вариант хвостового ротора воздушной машины
Одна из конструкций хвостового винта вертолётной системы. В зависимости от конструктивных особенностей машин исполнение хвостовых винтов отличается

На некоторых более крупных вертолётах промежуточные редукторы используются для наклона приводного вала хвостового винта относительно хвостовой стрелы (хвостовой воронки) к вершине пилона хвостового винта.

Пилон (вертикальное хвостовое оперение) также обеспечивает ограниченную защиту от помех в определенных диапазонах скорости, если рулевое управление хвостового винта не работает.

Вертолёт – средства управления полётом

Воздушным техническим средством, коим является вертолёт, применяются четыре основных средства управления полётом:

  • циклический шаг (режим),
  • общий шаг,
  • педали путевого управления,
  • дроссельная заслонка.

Контроль циклическим шагом обычно расположен между ногами пилота и, как правило, называется «циклический режим». На большей части конструкций вертолётов циклический шаг напоминает джойстик, однако некоторые вертолёты.

Например, машины «Robinson» имеют уникальные системы циклического управления T-образные стержни. Некоторые вертолёты имеют циклические органы управления, которые располагаются в кабине над головой пилота. Другие используют боковые циклические органы управления.

Такой способ управления называется циклическим, потому как изменяет шаг лопастей ротора на протяжении каждого оборота системы основного ротора (на протяжении каждого цикла вращения), создавая неравный подъем (тягу). В результате происходит наклон диска ротора в определенном направлении, и вертолёт движется в этом направлении.

Если пилот перемещает циклический рычаг вперёд, диск ротора также наклоняется вперёд, и создаётся тяга в этом направлении. Если пилот толкает циклический рычаг в сторону, диск ротора наклоняется в эту сторону и создаёт тягу в том же направлении, что приводит к перемещению машины в сторону.

Общий шаг – понятие функции управления

Управление общим шагом — тангажом, расположено на левой стороне от кресла пилота с изменяемой функцией пилот-выборки для предотвращения случайного воздействия. Управление общим шагом изменяет угол наклона всех лопастей несущего винта и независимо от позиции лопастей.

Вертолёт - классическая панель управления внутри кабины пилотов
Вид панели контроля и органов управления в кабине вертолёта. Фактически органы управления машиной используются однотипные на большинстве систем

Следовательно, если производится общий ввод, все лопасти меняются одинаково, увеличивая или уменьшая общую подъёмную силу (тягу). Как результат — вертолёт снижается, либо поднимается в воздухе, скорость движения увеличивается, либо уменьшается.

Педали вертолётного путевого управления

Педали путевого управления расположены в том же положении, что и педали руля на самолёте с неподвижным крылом. Педали служат аналогичной цели, а именно, для контроля движения, в котором направлен нос машины.

При нажатии педали в заданном направлении изменяется угол наклона лопастей хвостового винта, увеличивая или уменьшая усилие, создаваемое хвостовым винтом.

Соответственно, вызывается отклонение носа машины в направлении, прикладываемом к педали. Педали механически изменяют угол наклона хвостового винта, изменяя величину создаваемой тяги.

Вертолёт и функции дроссельной заслонки

Роторы вертолета предназначены для работы на определенных оборотах. Дроссель регулирует мощность, создаваемую двигателем, который соединён с ротором трансмиссией.

Назначение дроссельной заслонки — поддерживание достаточной мощности двигателя для поддержки оборотов ротора в допустимых пределах, обеспечивая тем самым достаточную подъёмную силу для полёта.

Вертолёт - устройство стабилизации машины в горизонтальной плоскости
Современные конструкции машин предусматривают различный функционал для обеспечения стабильности полёта, в частности, используется стабилизатор горизонтали (СГ)

Для конструкций  однодвигательных вертолётов управление дросселем, как правило, представляет собой поворотную рукоятку, установленную на общем управлении.

Однако не исключается вариант рычажного механизма для полностью управляемых систем. Многодвигательные вертолёты обычно имеют рычаг питания или переключатель режимов каждого отдельного двигателя.

Вертолёт — условия полёта воздушной машины

Существуют два основных условия полёта для вертолёта:

  1. Зависание.
  2. Прямой полёт.

Условие зависания — самая сложная часть полёта на вертолёте. Это связано с тем, что вертолет генерирует свой собственный порывистый воздух, находясь в режиме зависания, который воздействует на поверхности фюзеляжа и управления полётом.

Конечным результатом является необходимость постоянного контроля и корректировки со стороны пилота, чтобы вертолет оставался в нужном положении. Несмотря на сложность задачи, управление входом в режим зависания достаточно простое.

Циклическое управление используется для устранения дрейфа в горизонтальном направлении полёта, то есть для управления вперёд и назад, вправо и влево. Коллектив «шаг-газ» используется для поддержания высоты, а педали для контроля направления горизонтальным движением.

Именно взаимодействие этих функций управления делает зависание трудным элементом, поскольку настройка любой одной функции требует регулировки двух других, создавая цикл постоянной коррекции.

Сдвиг циклического движения вперед приводит к наклону носа машины вниз, что сопровождается увеличением скорости полёта и потерей высоты. Противовес кормы аппарата циклически вначале сдвига поднимает носовую часть, замедляет скорость машины.

Однако при достижении состояния равновесия горизонтальным стабилизатором, вертолёт выравнивается, минимизируется сопротивление. Следовательно, для такой машины, как вертолёт, характерно очень небольшое отклонение шага вверх или вниз, при условии устойчивого режима полёта.

Отклонение от абсолютного уровня зависит от конкретной конструкции аппарата и функциональности горизонтального стабилизатора.

Увеличение коллектива (мощности) при поддержании постоянной воздушной скорости вызывает подъём, а уменьшение коллектива вызывает снижение. Координация двух входов:

  1. Циклический спуск + задний
  2. Циклический подъём + прямой

приводит к изменениям воздушной скорости при сохранении постоянной высоты.

Педали управления вертолётом выполняют функцию обеспечения сбалансированного полёта. Это делается путём применения педального ввода в любом направлении, необходимом для центрирования машины.


При помощи информации: FAA