|
Схеми вертольотів
 Схема вертольота описує кількість несучих гвинтів вертольота, а також тип пристроїв, які використовуються для управління вертольотом. Зусилля для розкручування несучого гвинта може передаватися від рухової установки через осьовий вал. У цьому випадку за третім законом Ньютона виникає реактивний момент, що закручує корпус вертольота в протилежний від обертання несучого гвинта бік (на землі такому обертанню перешкоджає шасі апарата). Існує ряд основних конструктивних схем компенсації реактивного моменту і управління вертольота з використанням як єдиного, так і декількох несучих гвинтів. У випадках, коли розкручування несучого гвинта здійснюється або потоком повітря яке набігає (автожири, вертольоти в режимі польоту на авторотації), або за допомогою реактивних струменів, розташованих на кінцях лопатей (реактивний вертоліт), реактивний момент не виникає, і відповідно, необхідність в його компенсації відсутня. Одногвинтові схеми з кермовим пристроємВ таких схемах для компенсації реактивного моменту використовуються пристрої, що створюють тягу, яка закручує вертоліт в протилежному реактивному моменту напрямку. Перевагою таких схем є їх відносна простота, однак при цьому відбувається відбір потужності силової установки вертольота. Вертольоти одногвинтової схеми з кермовим гвинтом У даній схемі кермовий гвинт невеликого діаметра розташовується на хвостовій балці вертольота на деякій відстані від осі несучого гвинта. Створюючи тягу в площині, перпендикулярній вертикальній осі вертольота, кермовий гвинт компенсує реактивний момент. Змінюючи тягу кермового гвинта, можна керувати поворотом вертольота щодо вертикальної осі. Більшість сучасних вертольотів виконано за одногвинтовою схемою.[1] Вперше її запатентував на своєму літальному апараті Борис Юр'єв разом з автоматом перекосу в 1912 році[2]. Однак першу подібну модель запропонував в 1874 році німецький конструктор Аченбах.[3] Перший успішний вертоліт VS-300 з рульовим гвинтом побудував Ігор Сікорський, вертоліт піднявся в повітря 13 травня 1940 року. Успіх даного вертольота полягає в тому, що на основі цієї моделі для американської армії серійно випускався вертоліт R-4. Незаперечною перевагою даної схеми є простота конструкції і системи керування, що призводить до зменшення витрат на виробництво, ремонт і обслуговування. Крім того, випускають вертольоти, наприклад Мі-28, з так званим Х-подібним, чотирилопатевим кермовим гвинтом, лопаті якого мають різні взаємні кути установки на втулці (на зразок букви X). Гвинт такого типу має переваги перед звичайним (з рівномірним азимутним розподілом лопатей) за рівнем шуму і зменшення несприятливого впливу на лопаті кінцевих вихрових шнурів, що генеруються сусідніми лопатями. Недоліки даної схеми:
Вертольоти з рульовим гвинтом в кільці, фенестрон У сучасному вертольотобудуванні іноді застосовують багатолопатевий кермовий гвинт в кільцевому каналі кіля — фенестрон (від лат. fenestra - вікно)[4]. Діаметр фенестрона у понад два рази менше, ніж діаметр звичайного кермового гвинта. Вперше застосований на легких вертольотах французької фірми «Aérospatiale». Використовується в конструкціях легких і середніх вертольотів[5] Така конструкція має кілька суттєвих переваг:
Недоліками є:
Гвинтокрил У цій схемі використовуються гвинти, розташовані на крилах або фермах літального апарату - гвинтокрила. Причому тяга обох гвинтів спрямована вперед, а для компенсації реактивного моменту в режимі висіння один з гвинтів забезпечує більшу тягу, ніж інший. У режимі польоту ці гвинти використовуються як тягнучі, що збільшує швидкість гвинтокрила, при цьому несучий гвинт переходить в режим авторотації. Перший апарат з таким принципом компенсації реактивного моменту запропонував і запатентував Б. М. Юр'єв в 1910 році[6]. Прикладом такої моделі в даний час може служити Eurocopter X3. Перевагою гвинтокрила можна вважати високі швидкості польоту, недосяжні для класичної схеми в силу особливостей аеродинаміки. Так, наприклад, гвинтокрил «Ротодайн» фірми «Фейрі» в 1959 році досяг швидкості в 307,22 км/год,[7], а Eurocopter X3 у 2010 році — 430 км/год. Недоліком такої системи є втрата більшої потужності на компенсацію реактивного моменту в режимі висіння в порівнянні з кермовим гвинтом. Однак не всі гвинтокрилі використовують даний спосіб компенсації. Наприклад, гвинтокрил Ка-22 використовував для протидії реактивному моменту пару поперечних гвинтів, а Ротодайн — реактивне обертання лопатей. Поперечні гвинти встановлюються на кінцях крил або спеціальних опор (ферм) з боків корпусу вертольота. До поперечної схеми можна віднести і деякі конвертоплани в вертолітному режимі, наприклад Bell V-22 Osprey, Bell Eagle Eye. Струменева система управління, NOTAR Для компенсації реактивного моменту використовується система управління прикордонним шаром на хвостовій балці, яка застосовує ефект Коанда, разом з реактивним соплом на кінці балки, або ж тільки реактивне сопло. Керуюча сила ефекту Коанда виникає з тієї ж причини, з якої виникає підйомна сила крила - через несиметричне обтікання профілю хвостової балки низхідним повітряним потоком, утвореним несучим гвинтом. Вентилятор, розташований біля основи хвостової балки засмоктує повітря з отворів, розташованих вгорі корпусу вертольота, створюючи необхідний підвищений тиск всередині хвостової балки. На правій стороні хвостової балки за допомогою спеціальних сопел встановлюється більш швидкий рух повітряного потоку, ніж на лівій стороні. Тим самим, внаслідок закону Бернуллі, тиск повітря на лівій стороні буде більше, ніж на правій, ця різниця тисків призводить до появи сили, спрямованої зліва направо. Примітка: на схемі синіми стрілками показані потоки повітря, що проходять через хвостову балку, червоними - по поверхні хвостової балки. На Заході відома як NOTAR, англ. No Tail Rotor — «без хвостового гвинта». У Радянському Союзі експерименти проводилися на вертольоті Ка-26-СС. Серійно вертольоти, що використовують таку схему, випускаються компанією «MD Helicopters». Дана система через відсутність кермового гвинта є найтихішою і безпечною. Одногвинтові схеми з реактивним принципом обертання лопатейУ цих схемах через відсутність трансмісії, передаючий крутний момент від силової установки до несучого гвинта, не вимагає компенсації реактивного моменту. Перевагою таких схем є проста конструкція, а загальним недоліком можна вважати невелику швидкість при значній витраті палива. Для управління по рисканню може використовуватися кермовий гвинт, поверхні які відхиляються або реактивні пристрої. Існують різні варіанти цієї схеми:
Найперший реактивний гелікоптер спроектував і побудував німецький конструктор Добльгоф.[9] Експериментальні реактивні вертольоти будувалися також у Польщі, в США їх розробкою на замовлення військових досить довго займалася фірма «Хьюз». Однак більшого успіху досягла американська компанія «Hiller», яка випускала вертольоти YH-32 «Хорнет» і HJ-1 «Колібрі» малими серіями для армії, флоту і поліції[10]. У 1956 році в американець російського походження Євген Глухарев підняв в повітря перший реактивний ранцевий вертоліт MEG-1X[11]. На даний момент вертольоти з реактивним приводом серійно не виробляються. Основною перевагою такої схеми є проста і порівняно легка конструкція, що виключає складну трансмісію. Головними недоліками такого компонування вважається:
Для варіанту з повітряно-реактивними двигунами до того ж:
Схеми з двома несучими гвинтамиРеактивні моменти в таких схемах взаємно компенсуються синхронним різноспрямованим обертанням двох гвинтів. Площині обертання гвинтів можуть мати різні ступені перекриття при кількості лопатей менше чотирьох. Загальною перевагою таких схем є відсутність втрат потужності на компенсацію реактивного моменту, однак такі схеми мають комплексну складність:
Поздовжня схема Поздовжня схема складається з двох горизонтальних гвинтів, розташованих один за одним які обертаються в різних напрямках. Задній гвинт піднятий над переднім для зменшення негативного впливу повітряного струменя від переднього гвинта. Дана схема в основному використовується в вертольотах великої вантажопідйомності. Вертольоти з поздовжньою схемою іноді називають «літаючими вагонами».[12] Першопрохідцем у створенні вертольота, побудованого за поздовжною схемою, став французький інженер Поль Корню. У 1907 році його апарат зміг відірватися від землі на 20 секунд. При першому випробуванні апарат відірвався від землі спочатку на 0,3 м (повна маса 260 кг), потім на 1,5 м (повна маса 328 кг)[13]. Подальшим розвитком даної конструкції зайнявся американець Франк П'ясецький, випустивши в 1945 році для армії США вертоліт, який через свою форми отримав назву «літаючий банан». Така конструкція має кілька суттєвих переваг: У Радянському Союзі теж велися роботи в цьому напрямку. У 1952 році під керівництвом Ігоря Олександровича Ерліха[14] після всього лише 9 місяців з початку проектування відбувся перший політ Як-24, який перевершував по тому часу всі зарубіжні зразки.[15] Позитивними сторонами цієї схеми вертольота є:
До недоліків поздовжньої схеми вертольота відносяться:
Поперечна схемаГвинтокрилПеревагою гвинтокрила можна вважати високі швидкості польоту, недосяжні для класичної схеми в силу особливостей аеродинаміки. Так, наприклад, гвинтокрил «Ротодайн» фірми «Фейрі» в 1959 році досяг швидкості в 307,22 км/год,[7], а Eurocopter X3 у 2010 році — 430 км/год.  Поперечні гвинти встановлюються на кінцях крил або спеціальних опор (ферм) з боків корпусу вертольота. До поперечної схеми можна віднести і деякі конвертоплани в вертолітному режимі, наприклад Bell V-22 Osprey, Bell Eagle Eye. У 1921 році американський інженер Генрі Берлінер разом з батьком Емілем Берлінером спроектував вертоліт поперечної схеми. Він розмістив по боках літакового фюзеляжу два невеликих, чотириметрових гвинта, а на хвості кермовий пропелер з вертикальною віссю обертання - він повинен був «задирати» хвіст апарату, щоб у гвинтів з'являлася горизонтальна складова тяги для руху вертольота вперед. Для управління вертольотом використовувалися поверхні які відхилялися, типу елеронів, а також осі несучих гвинтів які нахиляються.[17] Першим успішним вертольотом поперечної схеми став німецький Focke-Wulf Fw 61, який в 1937 році поставив ряд рекордів по дальності і швидкості. У Радянському Союзі першим вертольотом поперечної схеми став проект «Омега» 1941 року.[18] Переваги:
До недоліків цієї схеми слід віднести:
Співвісна схемаДана система через відсутність кермового гвинта є найтихішою і безпечною.  Співвісна схема являє собою пару гвинтів, розташованих один над іншим на співвісних валах, що обертаються в протилежні сторони, завдяки чому компенсуються реактивні моменти, що виникають від кожного з гвинтів. Перший патент на співвісне розташування несучих гвинтів літального апарату був виданий в 1859 році англійцю Генрі Брайту. На початку 1920-х Рауль Петерас-Пескара працював над вертольотом співвісної схеми, в якому вперше застосував для управління вертольотом автомат перекосу. Першим повністю керованим став вертоліт Лабораторний ґіроплан, побудований Шарлем Луї Бреге і Рене Дораном в 1936 році [19][20]. Перший політ вертольота співвісної схеми з повністю металевими лопатями здійснив американець Стенлі Хіллер у 1944 році. Конструкція виявилася настільки вдалою, що сам Хіллер часто демонстрував його стійкість, відпускаючи важелі управління і висовуючи руки з вікон.[21] У Радянському Союзі темою співвісних вертольотів вперше зайнявся колектив Яковлева у 1944 році, трохи пізніше у 1945 році за роботу взявся колектив ентузіастів під керівництвом М. В. Камова. Варто відзначити, що ще у Російській імперії перші два прототипи вертольота Ігоря Сікорського (творця першого успішного вертольота класичної схеми VS-300) були виконані за співвісною схемою[19]. Вертоліт Яковлєва «Жарт» вперше піднявся в повітря 20 грудня 1947 року[22], а вертоліт Камова Ка-8 — дещо раніше, 12 листопада 1947 року[23]. Однак саме для конструкторського бюро Камова співвісна схема стала основною, донині вертольоти Камова — єдині в світі вертольоти з співвісною схемою, що випускаються серійно. Переваги співвісної схеми:
Недоліки:
Перехресні лопаті Несучі гвинти розташовані з боків фюзеляжу зі значним перекриттям, а їх осі нахилені назовні під кутом один до одного, виключаючи таким чином можливість накладання. Фактично така схема є рідким різновидом поперечної схеми з максимально можливим перекриттям несучих гвинтів, в той же час має деякі властивості співвісної схеми. Через нахил гвинтів реактивні моменти врівноважуються тільки відносно вертикальної осі, а їх проєкції щодо поперечної осі складаються, утворюючи момент тангажа.[1] Перші серійні вертольоти цієї схеми Флеттнер FI 282 "Колібрі" з'явилися в Німеччині в 1942 році. Зараз єдиним серійним виробником подібних вертольотів є американська компанія Kaman Aircraft. Відмінною особливістю даної фірми є використання в системі управління вертольотом сервозакрилок, встановлених на лопатях, принцип дії яких схожий з елероном літака. Переваги:
Недоліки:
Багатогвинтова схема В основному вертольоти даної конструкції використовують чотири гвинти, одна пара з яких розташована за поздовжньою схемою, а інша — за поперечною, хоча зустрічаються конструкції з трьома несучими гвинтами (Мі-32, Cierva Air Horse), так і з великою кількістю гвинтів (Мультикоптер). Відрізняється великою вагою, але разом з тим простотою управління, так як така схема не вимагає автомата перекосу, а напрямок польоту задається регулюванням потужності на кожному з гвинтів окремо. У даний момент користується все більшою популярністю у радіокерованих вертольотах. Схема спочатку була представлена в прототипах початку двадцятого століття на зорі авіації. До вертольотів такої схеми можна віднести квадрокоптер Георгія Ботезата, колишнього професора Петроградського технологічного інституту, який емігрував в Америку; вертоліт Етьєна Емішена, який крім 4 несучих гвинтів мав 6 невеликих пропелерів для підтримки рівноваги і 2 гвинти для горизонтального польоту[25] До багатогвинтової схеми можна віднести і деякі конвертоплани, наприклад Curtiss-Wright X-19, Bell X-22, Bell Boeing Quad TiltRotor (проект). Примітки
Джерела
Посилання
|
