Как работает вертолет?

1. Как вертолет остается в воздухе?
2. Ключевые части вертолета
3. Двигатели
4. Главный ротор
5. Хвостовой ротор
6. Как вертолет зависает и рулит?
7. парящий
8. Рулевое управление
9. Преимущества и недостатки вертолетов
10. Краткая история вертолетов

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 24 июня 2018 г.

Нет взлетно-посадочной полосы, нет проблем - есть вертолет, будет путешествовать! Игорь Сикорский (1889–1972), отец современного вертолета, совершенно не сомневался в блеске этого удивительного летательного аппарата, который, по его словам, был самым близким к «осуществлению древних мечтаний человечества о летающем коне и магии». ковер." Реактивные самолеты прекрасно подходят для того, чтобы кричать нам с одной стороны планеты на другую. Но когда дело доходит до хитрых спасательных операций - срывать с моря застрявших моряков, швырять кадки с водой на лесные пожары, срывать инженеров с ветряных турбин, разбивать критически раненых в больницу - ничто не сравнится с вертолетом. Согласно историкам науки, изобретатели пытались разработать летательные аппараты с вращающимися роторами более 2000 лет, прежде чем Сикорский наконец-то построил первый в мире практический вертолет в 1939 году. Почему это заняло так много времени? Потому что вертолеты - это невероятно сложные машины - чудеса запутанной техники, которые требуют настоящего умения летать. Как именно они работают? Давайте внимательнее посмотрим!

На фото: самый большой вертолет ВМС США: супер-жеребец CH53-E Sikorsky. Новая версия CH-53K в настоящее время находится в стадии разработки и, как ожидается, будет стоить около 100 миллионов долларов за вертолет! Фото Джошуа Адама Нуццо любезно предоставлено ВМС США ,

Как вертолет остается в воздухе?

Наука о вертолете точно такая же, как наука о самолет : он работает, создавая подъемную силу - толкающую вверх силу, которая преодолевает его вес и поднимает его в воздух. Самолеты совершают подъем с аэродинамическими поверхностями (крылья с изогнутым поперечным сечением). По мере того, как они стреляют вперед, их крылья изменяют давление и направление встречного воздуха, заставляя его опускаться за ними и поднимая их в небо: самолет двигатели ускорьте это вперед, в то время как его крылья взлетают. Большая проблема с самолетом - то, что много воздуха должно мчаться через его крылья, чтобы произвести достаточно подъема; это означает, что ему нужны большие крылья, он должен лететь быстро, и ему нужна длинная взлетно-посадочная полоса для взлета и посадки.

Фото: Могучие роторы: Вы можете видеть, насколько большие и тяжелые роторы вертолета на этой фотографии. Требуется четыре морских пехотинца США, чтобы удержать этот ротор на месте, пока он снова прикрепляется после технического обслуживания. Обратите внимание на изогнутый передний край лопасти ротора, который режется как аэродинамическая поверхность, когда он вращается вокруг. Фото Джереми Л. Гришама любезно предоставлено ВМС США ,

Вертолеты также заставляют воздух перемещаться над аэродинамическими поверхностями для создания подъемной силы, но вместо того, чтобы их аэродинамические профили находились в одном фиксированном крыле, они встроили их в лопасти ротора, которые вращаются с большой скоростью (примерно 500 об / мин, обороты в минуту). Роторы, как тонкие крылья, «бегут» на месте, создавая массивный нисходящий поток воздуха, который поднимает вертолет вверх. При умелом пилотировании вертолет может взлетать или приземляться вертикально, зависать или вертеться на месте, или плавно дрейфовать в любом направлении - и вы не можете ничего сделать в обычной плоскости.

Ключевые части вертолета

Типичный вертолет имеет тысячи запутанных компонентов, но нам нужно беспокоиться только о горстке больших частиц. Основной каркас называется фюзеляжем, и обычно он сделан из прочного, но относительно легкого композитные материалы , Он содержит один или два двигателя, коробку передач и редукторы, которые приводят в действие один или два главных ротора и значительно меньший хвостовой винт сзади.

Работа: краткое описание основных механических частей вертолета. Каждый ротор лезвие (1) соединено с втулкой (2) и вращающейся опорой с помощью растушевки шарнира (3), что позволяет ему вращаться. Звено шага (короткий стержень), прикрепленное к каждому лезвию (4, оранжевого цвета), может наклонить его на более крутой или меньший угол в зависимости от положения вращающейся верхней наклонной пластины (5, синего цвета), которая вращается на подшипниках вокруг статического нижнего наклонная пластина (6, красная). Вот как вертолет вертится и рулит, и это будет описано более подробно позже в этой статье. Две наклонные пластины перемещаются вверх и вниз или наклоняются в сторону с помощью циклического и коллективного органов управления кабины пилота (не показаны), которые объясняются ниже. Ротор приводится в движение от карданного вала (7), соединенного с коробкой передач и коробкой передач (8, красного цвета). Та же самая трансмиссия приводит в действие второй, более длинный карданный вал (9, желтый), соединенный с коробкой передач, которая вращает хвостовой винт (10, оранжевый). Мощность обоих роторов поступает от одного или двух турбовальных реактивных двигателей (11).

Двигатели

Фото: двигатель вертолета: посмотрите под ротор этого вертолета Seahawk. Длинная серая трубка между двумя наборами чисел («69») представляет собой турбовальный реактивный двигатель. На другой стороне точно такой же второй двигатель. Фото Тревора Колруса любезно предоставлено ВМС США ,

Хотя некоторые небольшие вертолеты по-прежнему используют поршневые двигатели (также называемые поршневыми двигателями, аналогичными тем, которые используются в легковых и грузовых автомобилях), большинство в настоящее время используют газовые турбины, больше похожие на реактивные двигатели на обычных самолетах. Турбинные двигатели более плавные в работе (вибрируют значительно меньше), более мощные, менее механически сложные и более надежные. Некоторые вертолеты имеют один двигатель, установленный горизонтально, под и сразу за ротором; Например, большинство маленьких вертолетов Bell работают именно так. Другие имеют один двигатель, установленный по обе стороны от ротора; военные вертолеты Seahawk и Apache приводятся в действие таким образом. Большинство современных вертолетов имеют турбовальные двигатели, которые похожи на обычные реактивные двигатели на самолетах. Однако вместо того, чтобы выбрасывать горячую струю выхлопных газов, которая толкает их вперед, они используют энергию от горящего газа для вращения центральной турбины и карданного вала, который приводит в действие трансмиссию (механизм, который позволяет двигателю приводить в действие роторы). Наша основная статья о реактивные двигатели расскажет вам больше о том, как работают турбореактивные двигатели.

Главный ротор

Огромный вращающийся ротор - самая заметная особенность любого вертолета, но ни один вертолет не может обойтись только одним ротором. Зачем? Основной принцип физики называется Третий закон Ньютона говорит нам, что когда сила (называемая действием) заставляет что-то двигаться, другая сила, такая же большая (называемая реакцией), заставляет что-то еще двигаться в противоположном направлении; действие и реакция равны, и противоположность - другой способ выразить это. Когда вертолет вращается вокруг (действие), все тело корабля имеет тенденцию вращаться несколько медленнее в противоположном направлении (реакция). Если оставить только собственные устройства, этот крутящий момент (сила поворота) сделает вертолет полностью неуправляемым, поэтому мы должны каким-то образом противодействовать ему с помощью так называемого контр-крутящего момента (силы поворота в противоположном направлении). Одно из решений состоит в том, чтобы второй большой ротор вращался другим способом. Иногда это установлено на той же самой мачте как первый ротор (конструкция, названная коаксиальным ротором ); иногда, как в огромных военных вертолетах Chinook, на каждом конце корабля имеется большой ротор (конструкция, называемая тандемным ротором ).

Фото: тандем ротор: это военные Boeing CH-47 Chinook имеет один ротор спереди и один сзади, и они вращаются в противоположных направлениях, чтобы нейтрализовать крутящий момент друг друга. Фото Тамары Вон предоставлено ВМС США ,

Лопасти основного винта вертолета бывают трех основных типов, которые позволяют увеличивать количество движений при вращении: они называются жесткими, полужесткими и полностью шарнирными. Как следует из названия, жесткие лопасти прочно прикреплены к втулке ротора («колесо», к которому лопасти крепятся в верхней части вращающейся мачты ротора) с помощью поворотного соединения, называемого шарниром оперения (или шарниром тангажа ). Это позволяет им «оперяться» (поворачиваться при вращении, что, как мы выясним через мгновение, и есть управление вертолетом). Полужесткие лезвия имеют тот же шарнир, но они также имеют шарнир (или шарнир ), который позволяет им взмахивать вверх и вниз. Полностью сочлененные лезвия могут иметь перья и взмахи, и они также имеют третий шарнир (шарнир сопротивления ), который позволяет им немного двигаться вперед («вперед») или позади («отставать») от своего нормального положения. Каждый из этих типов лезвий имеет свои преимущества и недостатки.

Хвостовой ротор

Фото: хвостовой винт вертолета Seahawk. Хвостовой винт приводится в движение ведущим валом, идущим назад от главных двигателей, параллельно корпусу вертолета. Если вы посмотрите внимательно, вы увидите, что лопасти ротора могут наклоняться пилотом при их вращении, что создает более или менее толкающую силу и дает вертолету возможность вращаться на месте при зависании. Фото Джеймса Р. Эванса любезно предоставлено ВМС США ,

Помимо добавления второго большого ротора, еще один способ противодействовать крутящему моменту от основного ротора заключается в использовании небольшого, направленного в сторону пропеллер называется хвостовым винтом , приводимым в движение от карданного вала от двигателя, который проходит через хвостовую часть корабля. Иногда, из соображений безопасности, хвостовой ротор строится прямо внутри хвоста (конструкция, называемая фенестроном или хвостом вентилятора). Другая альтернатива называется NOTAR® («без хвостового ротора»), в которой используется воздушная струя, выпущенная через вентиляционное отверстие на хвосте, для противодействия крутящему моменту основного ротора. Если у вертолета имеется одна лопасть несущего винта, у него должен быть хвостовой винт, фенестрон или NOTAR, иначе он не сможет безопасно летать; аналогично, любое повреждение хвостового ротора, такое как удар птицы или попадание ракеты, делает вертолет опасно неуправляемым и обычно приводит к его быстрому падению после этого. Большинство вертолетов имеют вертикальный хвостовой плавник (пилон), который также помогает нейтрализовать часть крутящего момента от основного ротора.

Как вертолет зависает и рулит?

Роторы вертолета - это гениальные вещи, которые позволяют ему парить в воздухе или поворачивать в любом направлении. Пилот имеет пять основных органов управления движением и рулем: два ручных рычага, называемые общим и циклическим шагом, дроссельная заслонка и две ножные педали. Большинство маневров, которые выполняет пилот, включают сложное взаимодействие между этими различными средствами управления, поэтому управление вертолетом требует таких навыков и концентрации.

парящий

Когда они начинают вращаться, аэродинамические поверхности лопастей ротора создают подъемную силу, которая преодолевает вес корабля и поднимает его в воздух. Если подъемная сила превышает вес, вертолет поднимается; если он меньше веса, вертолет падает. Когда грузоподъемность и вес точно совпадают, вертолет зависает в воздухе. Пилот может заставить лопасти ротора генерировать более или менее подъемную силу, используя элемент управления, называемый общим шагом (или «общим»), который увеличивает или уменьшает угол («шаг»), который все лопасти создают для встречного воздуха, когда они вращаются вокруг , Для взлета лопасти должны иметь крутой угол, чтобы создать максимальную подъемную силу.

Иллюстрации: как вертолет зависает и поворачивает: верхний чертеж: общий контроль высоты тона изменяет угол (или шаг) каждого из лопастей ротора на одинаковую величину в одно и то же время (зеленые стрелки) - другими словами, все вместе. Если лопасти имеют более крутой угол, они создают большую подъемную силу, поэтому весь корабль движется прямо вверх (оранжевая стрелка). Рисунок снизу: Циклический регулятор шага изменяет угол лопастей селективного ротора при их вращении, поэтому (в этом случае) тот, который находится слева, всегда производит немного больший подъем, в то время как противоположный нож (показанный здесь справа) всегда производит немного меньше подъема Это означает, что с левой стороны вертолета производится больше подъема, поэтому общий подъем (оранжевая стрелка) наклонен вправо, направляя весь вертолет в этом направлении.

Как это происходит? Как мы уже видели, основной ротор соединен со ступицей в верхней части мачты с помощью шарнирного оперения, которое позволяет каждому лезвию поворачиваться при вращении, что делает его более крутым или более мелким углом к ​​встречному воздуху. Лезвия имеют короткие вертикальные стержни (соединительные звенья ), прикрепленные к ним, которые соединены с вращающимся металлическим диском, называемым наклонной пластиной , чуть ниже мачты. Эта наклонная пластина скользит по подшипникам вокруг второй, подобной пластины, которая находится прямо под ней и не вращается. Когда пилот перемещает коллектив в одну сторону, обе наклонные пластины перемещаются вверх, нажимая вверх на звеньях тангажа, которые наклоняют лопасти ротора в более крутой угол. Перемещение коллектива в другую сторону приводит к перемещению наклонных пластин вниз, подтягиванию звеньев тангажа и наклону лопастей под меньшим углом.

В конце коллектива есть дроссель, связанный кабелем с двигателем. Это как акселератор автомобиля или дроссель мотоцикла, увеличивающий или уменьшающий частоту вращения двигателя, так что ротор делает более или менее подъемную силу.

Рулевое управление

Роторы также обеспечивают управление вертолетом, делая большую подъемную силу с одной стороны, чем с другой. Они делают это, поворачиваясь взад-вперед (растягивая), когда они вращаются, поэтому, например, они делают более крутой угол, когда они находятся на левой стороне корабля, чем когда они находятся справа. Это означает, что они генерируют больше подъема слева, наклоняя корабль вправо и направляя его в этом направлении. Пилот управляет таким образом, используя второй рычаг, называемый циклическим шагом (также известный как «циклический стержень» или просто «циклический»), похожий на джойстик, который заставляет лопасти вращаться, когда они вращаются вокруг. Оригинальный механизм наклонной пластины преобразует движения пилота в соответствующие движения лопастей ротора. Предположим, пилот хочет лететь направо. Во-первых, она перемещает цикл вправо, а система соединенных рычагов также заставляет две наклонные пластины наклоняться вправо. Это заставляет лопасти ротора наклоняться под крутым углом, когда они находятся слева, и под небольшим углом, когда они находятся справа, поэтому ротор производит большую подъемную силу с левой стороны, направляя корабль вправо.

Работа: Как поворотная пластина управляет вертолетом. В центре вы можете увидеть упрощенный вид механизма наклонной пластины. В верхней части мачты ротора находятся два диска, верхний (красный), который вращается на шарикоподшипниках (оранжевый), вокруг нижнего (синего), который вообще не вращается. Четыре шага (зеленые) соединяют верхнюю наклонную пластину с лопастями ротора. Теперь предположим, что вы хотите лететь направо. Вы наклоняете циклическое в этом направлении. Это наклоняет обе наклонные пластины вправо. При вращении лопастей ротора наклонные наклонные пластины заставляют звенья высоты, когда они находятся слева, и вниз, когда они справа. Это заставляет каждую лопасть ротора наклоняться к более крутому углу, когда он находится слева, и к более мелкому углу, когда он находится справа. Это производит больше подъема слева, поворачивая вертолет вправо.

Пилот может также управлять носом вертолета в определенном направлении, используя пару ножных рычагов управления, известных как педали защиты от рывков , которые изменяют угол наклона лопастей хвостового винта, так что они создают более или менее боковое усилие, чем при обычном прямом полете. Это заставляет весь корабль медленно вращаться по часовой стрелке или против часовой стрелки, чтобы он двигался в другом направлении. На вертолетах с тандемным ротором, таких как Chinook, у которых нет хвостового ротора, ножные педали наклоняют наклонные пластины для переднего и заднего роторов в противоположных направлениях, соответственно управляя кораблем.

Преимущества и недостатки вертолетов

Фото: альтернативы вертолету № 1: самолет с вертикальным / коротким взлетом и посадкой (V / STOL), как и знаменитый харриер, показанный здесь, пытается сочетать маневренность вертолета со скоростью самолета. Харриер может зависать, потому что, в отличие от традиционного реактивного двигателя, у него есть четыре дополнительных сопла на стороне, которые могут поворачиваться, чтобы направлять выхлопные газы двигателя прямо вниз. Фото Staci Bitzer предоставлено ВМС США ,

Измельчители имеют много преимуществ перед самолетами. Вам не нужна взлетно-посадочная полоса, для стартеров или большие крылья, и вы можете легче управлять вертолетами с кораблей. От центра города до середины джунглей вы можете взлететь или приземлиться более или менее где угодно. Вы можете сделать паузу во время полета, чтобы спасти кого-то, забрать груз или уронить его с помощью лебедки. По общему признанию, вы обычно не можете лететь так быстро или так далеко, как самолет, или нести столько людей или столько грузов, но у вас гораздо больше гибкости в том, куда вы можете лететь.

К сожалению, эта универсальность имеет свою цену: вертолеты с вращающимися роторами механически более сложны, чем самолеты со статическими крыльями, более подвержены отказам, требуют большего обслуживания и дороги в эксплуатации. Поскольку вы можете управлять вертолетом разными способами - фактически это несколько разных летательных аппаратов, объединенных в одно целое - вы можете подумать, что пилотировать вертолет автоматически сложнее, чем летать на самолете. Но реального сравнения нет, потому что это две совершенно разные вещи.

Фотографии: альтернативы вертолету № 2: Скопа Белл Боинг V-22 имеет огромные роторы спереди, которые могут быть наклонены так, чтобы указывать вверх (как вертолет) или вперед (как самолет), сочетая преимущества обоих в одном самолете. Фотографии (слева направо) Энди М. Кин , Оскар Эспиноза , а также Захари Л. Борден Все любезно предоставлено ВМС США.

Краткая история вертолетов

• 400BCE: китайская книга раскрывает, как сделать игрушку вертолета с "летающей вершиной", используя вращающиеся перья, прикрепленные к концу палки. Вы быстро вращаете палку между руками, швыряете ее в воздух, и перья заставляют ее летать.
• 1483: Итальянский изобретатель Леонардо да Винчи (1452–1519) проектирует вертолет с лопастями винта в форме штопора, чтобы поднять его вверх по воздуху. Однако он этого не строит.
• 1754: русский инженер Михаил Ломоносов (1711–1765) создает небольшую рабочую модель, показывающую, как зубчатый механизм может приводить в движение пару соосных лопастей вертолета, вращающихся в противоположных направлениях.
• 1796: британский пионер авиации сэр Джордж Кейли (1773–1857) создает пружинные и упругие модели вертолетов, которые летят на внушительные высоты (десятки метров). Позже, в 1843 году, он набрасывает планы для полномасштабного вертолета с двумя роторами, но Паровые двигатели доступные в то время слишком тяжелы, чтобы привести его в действие.
• 1880-е годы: американский гений изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) экспериментирует с модельными вертолетами, в том числе с некоторыми электричество Его любимый источник власти.
• 1901: Игорь Сикорский (1889–1972), русский авиаинженер, строит себе рабочий вертолет, работающий на резинке. Это начало жизненной одержимости вертолетами, которая изменит мир.
• 1904: француз Шарль Рише (1850–1935) строит небольшой вертолет, но на нем нет пилота.
• 1907 г. Француз Луи Бреге (1880–1955 гг.), Ученик Шарля Рише, и его брат строят вертолет с квадротором Бреге-Риш жироплан ) с ротором на каждом углу. Он может лететь около метра от земли в течение минуты или около того за один раз. Позже в том же году другой француз, Пол Корну (1881-1944), строит небольшой вертолет, который может взлететь примерно на 20 секунд.
• 1916: австрийский гений аэродинамики Теодор фон Карман (1881–1963) помогает проектировать вертолеты, называемые Петрочи, Карман и Журовец-1 (PKZ-1), управляемые электрический двигатель , что оказывается достаточно мощным, чтобы поднять трех человек.
• 1920: испанец Хуан де ла Сиерва (1895–1936) изобрел автожир, маленький летающий самолет с ротором наверху.
• 1931: После многих лет экспериментов Игорь Сикорский разрабатывает и запатентовывает практичный, работающий вертолет. Наконец он строит и вылетает его версию, VS-300 в 1939 г.
• 1942: Сикорский Р-4 становится первым в мире серийным вертолетом.
• 1945: Фрэнк Пясецкий (1919–2008) - пионер революционного вертолета с тандемным винтом. Его оригинальная версия по прозвищу Летучий банан и в конечном итоге превращается в Чинук.
• 1946: Bell Aircraft представляет модель 47, разработанную Артур Янг (1905–1995), первый в мире коммерчески успешный вертолет.
• 1950–1953: Вертолеты впервые демонстрируют свой военный потенциал во время Корейской войны.
• 1951: Чарльз Каман строит К-225 Первый газотурбинный вертолет. Три года спустя он строит первый двухтурбинный вертолет HTK-1 для ВМС США.
• 1961: быстрый грузовой тандемный ротор Боинга CH-47 Chinook вертолет совершает первый полет (поступит в производство в следующем году). Он может выдерживать грузы до 10 тонн.
• 1964: француз Пол Фабр из Sud Aviation разрабатывает фенестрон.
• 1967: два вертолета Sikorsky S-61R совершают первый в истории беспосадочный трансатлантический перелет из Нью-Йорка в Париж, Франция, за 30 часов 46 минут.
• 1981: NOTAR® (без хвостового винта) впервые испытан на вертолете Hughes OH-6A.
• 1988: Bell-Boeing начинает производство своего V-22 Osprey, самолета с наклонным винтом, который может взлетать как вертолет, но летать как самолет.
• 1989: McDonald Douglas 520N, первый серийный вертолет NOTAR®, совершает свой первый полет 28 декабря 1989 года.