Принцип управления вертолета. Как устроен вертолёт. К общим требованиям относятся
На сегодняшний день люди изобрели множество разных видов техники, которая может не только перемещаться по дорогам, но и летать. Самолеты, вертолеты и другие летательные аппараты позволили исследовать воздушное пространство. Вертолетные двигатели, которые потребовались для нормальной работоспособности соответствующих машин отличаются высокой мощностью.
Общее описание устройства
В настоящее время такие агрегаты бывают двух типов. Первый вид - это поршневые или же Второй вид - воздушно-реактивные моторы. Кроме того, в качестве вертолетного двигателя может выступать еще и ракетный. Однако он обычно применяется не в качестве основного, а кратковременно включается в работу машины, когда необходима дополнительная мощность, к примеру, во время посадки или же взлета техники.
Раньше довольно часто использовались для установки на вертолеты. У них была одновальная схема, однако они достаточно сильно стали вытесняться другими типами оборудования. Особенно сильно это стало заметно на многодвигательных вертолетах. На такой технике наиболее широкое распространение получили двухвальные турбовинтовые вертолетные двигатели с так называемой свободной турбиной.
Двухвальные агрегаты
Отличительная черта таких устройств была в том, что у турбокомпрессора отсутствовала прямая механическая связь с несущим винтом. Применение двухвальных турбовинтовых агрегатов считалось довольно эффективным, так как они позволяли наиболее полно использовать силовое устройство вертолета. Все дело в том, что в таком случае частота вращения несущего винта техники не зависела от частоты вращения турбокомпрессора, это в свою очередь позволяло подбирать оптимальную частоту под каждый режим полета отдельно. Если говорить другими словами, то двухвальный турбовинтовой вертолетный двигатель обеспечивал эффективную и надежную работу силовой установки.
Реактивный привод винта
В вертолетах также используется реактивный привод винта. В таком случае окружное усилие будет прикладываться непосредственно к самим лопастям винта, не применяя при этом тяжелой и сложной механической трансмиссии, которая бы заставляла вращаться весь винт целиком. Чтобы создать такое окружное усилие, используются либо автономные реактивные двигатели, которые располагаются на лопастях несущего винта, либо прибегают к истечению газа (сжатому воздуху). В данном случае выходить газ будет через специальные сопловые отверстия, которые располагаются на конце каждой лопасти.
Что касается экономичной работы реактивного привода, то здесь она будет уступать механическому. Если выбирать наиболее экономичный вариант только среди реактивных устройств, то лучшим является турбореактивный двигатель, который располагается на лопастях винта. Однако конструктивно создать такое приспособление оказалось слишком трудно, именно поэтому широкого практического применения такие приборы не получили. Из-за этого заводы вертолетных двигателей не стали заниматься его массовым производством.
Первые модели турбовальных устройств
Первые турбовальные двигатели были созданы еще в 60-70 гг. Необходимо упомянуть, что в то время такое оборудование полностью отвечало всем запросам не только гражданской авиации, но и военной. Такие агрегаты были способны обеспечить паритет, а в некоторых случаях и превосходство над изобретениями конкурентов. Наиболее массовое производство вертолетных двигателей турбовального типа обеспечивалось за счет сборки модели ТВ3-117. Стоит отметить, что этот аппарат имел несколько разных модификаций.
Кроме него, хорошее распространение получила также модель Д-136. До выхода этих двух моделей выпускались Д-25В и ТВ2-117, однако на тот момент они уже не могли оказать конкуренцию новым двигателям, а потому их производство прекратили. Однако справедливо будет сказать, что их было выпущено достаточно много, и они все еще установлены на тех видах воздушного транспорта, которые были выпущены достаточно давно.
Градация оборудования
В середине 80-х годов возникла необходимость в унификации устройства вертолетного двигателя. Чтобы решить поставленную задачу, все турбовальные и турбовинтовые двигатели, имеющиеся на тот момент, было решено привести к общему типоразмерному ряду. Данное предложение было принято на правительственном уровне, а потому возникло деление на 4 категории.
Первая категория - это устройства мощностью 400 л. с., вторая - 800 л. с., третья - 1600 л. с. и четвертая - 3200 л. с. Помимо этого, было разрешено создание еще двух моделей вертолетного газотурбинного двигателя. Их мощность составляла 250 л. с. (0 категория) и 6000 л. с. (5 категория). Кроме этого, подразумевалось, что каждая категория этих устройств будет способна формировать мощность на 15-25 %.
Дальнейшее развитие
Для того чтобы полностью обеспечить развитие и строительство новых моделей, ЦИАМ провела достаточно обширную научно-исследовательскую работу. Это позволило получить научно-технический задел (НТЗ), по которому будет идти развитие данного направления.
В таком НТЗ указывалось, что принцип работы вертолетных двигателей будущих поколений должен строиться на простом принципе термодинамического цикла Брайтона. В этом случае развитие и строительство новых агрегатов будет перспективным. Что касается конструктивного исполнения новых моделей, то они должны быть с одновальным газогенератором, а силовая турбина с выводом вала мощности вперед через данный газогенератор. Кроме этого, в конструкцию должен входить и встроенный редуктор.
В соответствии со всеми требованиями научно-технического задела на Омском МКБ были начаты работы по изготовлению такой модели двигателя для вертолета, как ТВ ГДТ ТВ-0-100, мощность этого аппарата должна была составлять 720 л. с., а применять его было решено на такой машине, как Ка-126. Однако в 90-е годы все работы были остановлены, несмотря на то что в тот период устройство было достаточно совершенным, а также имело возможность форсировать мощность до таких показателей, как 800-850 л. с.
Производство на ОАО «Рыбинские моторы»
В это же время на ОАО «Рыбинские моторы» занимались доводкой такой модели двигателя, как ТВ ГДТ РД-600В. Мощность устройства составляла 1300 л. с., а использовать его планировали для такого типа вертолета, как Ка-60. Газогенератор для такого агрегата был выполнен по достаточно компактной схеме, в которую входил четырехступенчатый центробежный компрессор. В нем были 3 осевых ступени и 1 центробежная. Частота вращения, которую обеспечивал такой агрегат, достигала 6000 об/мин. Отличным дополнением было и то, что такой двигатель дополнительно снабжался защитой от пыли и грязи, а также от попадания других посторонних предметов. Данный тип двигателя прошел множество разнообразных испытаний, а его окончательная сертификация была завершена в 2001 году.
Далее стоит отметить, что параллельно с доработкой этого мотора специалисты работали над созданием турбовинтового двигателя ТВД-1500Б, который планировалось применять на вертолетах модели Ан-38. Мощность данной модели всего на 100 л. с. выше и, таким образом, составляла 1400 л. с. Что касается газогенератора, то его схема и комплектация были такими же, как и на модели РД-600В. При их разработке, создании и комплектации планировалось, что они будут составлять базу для семейства таких двигателей, как турбовальные, турбовинтовые.
Мотоцикл с вертолетным двигателем
На сегодняшний день производство различного рода техники продвинулось достаточно широко. Это справедливо практически для всех отраслей, включая производство мотоциклов. Каждый производитель старался всегда сделать свою новую модель более уникальной и оригинальной, чем у конкурентов. Из-за такого стремления не так давно компания Marine Turbine Technologies выпустила первый мотоцикл, в конструкцию которого входил вертолетный двигатель. Естественно, что данное изменение сильно затронуло как конструктивную часть машины, так и ее технические характеристики.
Параметры техники
Естественно, что характеристики мотоцикла, который имеет в своем распоряжении двигатель от вертолета, обладает также уникальными техническими параметрами. Кроме того, что такое нововведение позволило разогнать мотоцикл до практически немыслимых 400 км/ч, есть и другие свойства, на которые также стоит обратить свое внимание.
Во-первых, объем топливного бака у такой модели составляет 34 литра. Во-вторых, вес техники достаточно сильно увеличился и составляет 208,7 кг. Мощность такого мотоцикла составляет 320 лошадиных сил. Максимальная возможная скорость, которую удалось развить на таком аппарате - 420 км/ч, а размер его колесных дисков составляет 17 дюймов. Последнее, о чем стоит сказать, так это о том, что работа вертолетного двигателя сильно сказалась и на процессе разгона, из-за чего техника достигает своего предела за считаные секунды.
Первое такое творение, которое компания Marine Turbine Technologies показала миру, называлось Y2K. Тут можно добавить, что точное время разгона до 100 км/ч занимает всего полторы секунды.
Подводя итог всему вышесказанному, можно сказать, что отрасль по созданию вертолетных двигателей прошла достаточно долгий путь, а нынешнее развитие технологий позволило применять продукцию даже в такой технике, как мотоциклы.
В наши дни вертолет является наиболее универсальным летательным аппаратом. Во многих странах он носит название «геликоптер », которое было образовано из двух греческих слов, в переводе означающих «спираль» и «крыло». Вертолет, подолгу зависая на одном месте, может затем полететь в любое направление, даже не совершая разворота. А ещё ему не нужны специальные взлетно-посадочные полосы, ведь он способен взлетать вертикально вверх без «разбега» и совершать вертикальную посадку без «пробега». Благодаря этому вертолеты широко применяются для транспортных перевозок в труднодоступные места, для пожарных, санитарных и спасательных работ.
Основным отличием вертолёта от самолёта является то, что он взлетает без разгона и поднимается ввысь в вертикальном положении. У вертолёта нет крыльев, вместо них имеются большой винт, расположенный на крыше, и маленький винт на хвосте. Главное достоинство вертолёта – манёвренность. Он может подолгу зависать в воздухе и, кроме того, летать задним ходом. Чтобы совершить посадку, вертолёту не требуется аэродром: он может приземлиться на любой ровной площадке, даже высоко в горах.
В начале двадцатого столетия француз П. Корню первый в мире поднялся на вертолёте. Ему удалось взлететь на высоту 150 сантиметров, то есть он висел в своём изобретении где-то на уровне груди взрослого мужчины. Тогда этот полёт продолжался всего 20 секунд. Поль Корню решил, что высота слишком большая, и он сильно рискует, поэтому в последующем взмывал вверх только со страховкой – на привязи.
Главным элементом конструкции, который заставляет вертолёт взлетать, а затем парить в небесах, является его большой винт. Он постоянно загребает лопастями воздух, за счёт чего вертолёт и летит. В тоже время хвостовой винт не даёт корпусу этой летающей птицы поворачиваться в противоположное направление вращения основного винта. Такая конструкция вертолёта была придумана в 1940-х годах русским инженером.
При вращении несущего винта вертолета возникает сила реакции, раскручивающая его в противоположном направлении. В зависимости от способа уравновешивания этой силы бывают одновинтовые и двухвинтовые вертолеты. У одновинтовых вертолетов силу реакции устраняют вспомогательным хвостовым винтом, а у двухвинтовых – за счет того, что винты вращаются в противоположные стороны.
Виды вертолетов .
Главным предназначением ударных вертолётов является поражение наземных целей противника. Это лучшие военные вертолёты, поэтому такие машины ещё называют штурмовыми. Их вооружение состоит из управляемых противотанковых и авиационных ракет, крупнокалиберных пулемётов и малокалиберных орудий.
Ударный вертолёт может в одном бою уничтожить огромное количество техники и живой силы противника. Ударный вертолёт «Еврокоптер тайгер» состоит на вооружении в армиях Франции, Испании, Германии и Австралии.
Одним из самых манёвренных ударных вертолётов в мире считается российский вертолет Ка-50. Он широко известен в мире под прозвищем Черная акула. Этот вертолёт оснащён двумя большими винтами, а хвостовое оперение у него как у самолёта. Вертолет Черная акула выполняет самые сложные фигуры высшего пилотажа и способна зависать в воздухе до 12 часов. Благодаря современной автоматизации Ка-50 управляет только один пилот.
В 1983 году в американском штате Аризона был создан ударный вертолёт АН-64 «Апач». В его вооружение вошли автоматическая скорострельная пушка и 16 управляемых противотанковых ракет. Вертолет «Апач» способен развивать скорость до трехсот км в час и летать на высоте 6 километров. Этот вертолёт превосходно маневрирует как в кромешной тьме, так и во время самых скверных погодных условий. Вертолет Апач, и в наши дни является основным вертолётом армии в США.
Транспортный вертолет может быть использован для перевозки, как пассажиров, так и грузов. Также из разновидностей вертолетов можно выделить специальный спасательный вертолет и легкий двухместный исследовательский вертолет.
.
Несущий винт у вертолета: используется для полета один или несколько (чаще два) несущих винтов. Его лопасти (до 8 штук) действуют как крылья самолета и при вращении создают необходимую подъемную силу. Вначале лопасти изготавливали из металла, а с конца пятидесятых годов прошлого столетия их делают из стеклопластика.
Вспомогательный винт служит для устранения силы реакции, раскручивающей вертолет в противоположном направлении при вращении несущего винта. Иногда вместо винта на хвостовой балке может быть установлено реактивное сопло. Двигатель вертолета приводит во вращение несущие и вспомогательные винты. Обычно это поршневой или реактивный мотор.
В кабине пилотов находится руль управления (штурвал), поворачиваемый пилотом для полета в нужном ему направлении. Руль изменяет наклон лопастей винта, в полете одна часть круга, который описывает винт, будет опущена ниже, чем другая, и вертолет полетит в эту сторону.
Фюзеляж включает в себя кабину пилота, пассажирский или грузовой салон, а также моторный отсек. Шасси – так как вертолету для взлета и посадки «пробежка» не нужна, очень часто колесное шасси заменяют более удобными лыжами.
20.06.2015
Принцип полета самолета и вертолета
Всякое тело, движущееся в воздухе, непрерывно испытывает со стороны последнего противодействие своему движению. Поэтому, чтобы продвинуть тело, нужно преодолеть сопротивление, приложить некоторую силу. Сила сопротивления воздуха, которую встречает движущееся в нем тело, прямо пропорциональна плотности воздуха, площади тела, квадрату скорости движения и зависит от формы тела, его гладкости и положения в воздушном потоке.
На основании этого основного закона аэродинамики можно установить, что если телам различной формы и размеров, помещенным в различную среду, придать одну и ту же силу, то скорость продвижения их будет различной.
Если в поток воздуха поместить тела различной формы - пластинку, тело с угловатыми формами и каплевидное тело, то окажется, что чем больше разница давлений спереди и сзади их, тем больше область завихрения, меньше скорость продвижения тел в воздухе и больше сила сопротивления. Эта сила, направленная прямо против движения тел, называется силой лобового сопротивления, или лобовым сопротивлением.
При обтекании тела с угловатыми формами поток тормозится меньше, чем при обтекании пластинки, следовательно, меньшими будут и область пониженного давления, и лобовое сопротивление (рис. 1).
Если же в поток воздуха поместить каплевидное тело, имеющее более совершенную аэродинамическую форму, то давление впереди и сзади этого тела будет незначительным, так как струйки воздуха плотно обтекают его и почти не образуют завихрений. При наличии таких тел для преодоления лобового сопротивления потребуется наименьшая сила. Из сказанного становится понятным, что в авиации решающее значение имеют обтекаемые формы тел, создающие возможно малое сопротивление и не вызывающие завихрений. К таким телам прежде
всего относятся каплевидные и крылообразные тела. Крылья в самолете являются его основными частями. Они создают подъемную силу и делают возможным полет.
Рассмотрим в общих чертах причины возникновения подъемной силы (рис. 2). Пусть крыло движется в воздухе под некоторым углом атаки. Частицы воздуха, ударяясь о летящее крыло, будут огибать как верхнюю, выпуклую, так и нижнюю, плоскую или слегка вогнутую, поверхность крыла. В одно и то же время струйкам, обтекающим крыло сверху, приходится пройти больший путь, чем струйкам, обтекающим крыло снизу. Значит верхние струйки будут двигаться с большей скоростью, чем нижние.
Из закона Бернулли следует, что чем больше скорость потока, тем меньше в нем давление. Поэтому над крылом создается меньшее давление, чем под крылом. В результате разности давлений крыло, с одной стороны, как бы подсасывается вверх за счет пониженного давления, а с другой - подпирается тоже вверх за счет повышенного давления. Вследствие этого и возникает подъемная сила, действующая снизу вверх и направленная перпендикулярно потоку воздуха. На этом свойстве крыла и основан полет самолета и вертолета как аппаратов тяжелее воздуха.
Подъемная сила у самолета появляется только в том случае, если он движется с достаточной скоростью. Чтобы самолет мог оторваться от земли, подъемная сила его крыла должна быть больше веса самолета.
Для того чтобы самолет мог двигаться в воздухе с определенной скоростью, он должен все время преодолевать сопротивление воздуха, а при разбеге во время взлета еще и трение колес о землю. Силой, преодолевающей сопротивление воздуха и придающей поступательную скорость самолету, является сила тяги воздушного винта, вращаемого мотором.
Устройство самолета
К числу основных частей самолета относятся крылья, корпус, органы устойчивости и управления, органы для передвижения и посадки, винтомоторная группа (рис. 3).
Крылья являются одной из наиболее важных частей самолета. От формы в плане и в поперечном сечении, а также от размеров крыльев зависят лётные качества самолета.
Самолет типа моноплан имеет одно крыло, а типа биплан - два крыла. Верхние и нижние крылья связаны между собой стойками. К верхним и нижним крыльям подвешены на шарнирах элероны. В плане крыло самолета с элероном чаще всего имеет прямоугольную форму с эллиптическим закруглением концов.
Корпус самолета (фюзеляж) является основной частью конструкции, с которой соединяются центроплан, крылья, моторная установка, шасси и хвостовое оперение. Кроме того, он служит для размещения полезной нагрузки самолета (пассажиров, грузов и т. п.).
Органы устойчивости и управления самолетом состоят из элеронов и хвостового оперения.
Элероны являются частью крыла и представляют собой подвижные небольшие крылышки, расположенные по концам крыльев самолета. Элероны служат для сохранения самолетом поперечной устойчивости и для наклона его при поворотах вокруг продольной оси.
Хвост самолета состоит из горизонтального и вертикального оперений. При их помощи самолет сохраняет в воздухе продольную устойчивость, поднимается вверх, снижается и изменяет направление полета.
Горизонтальное оперение состоит из стабилизатора - неподвижной части, обеспечивающей самолету продольную устойчивость в полете (в вертикальном направлении), и подвижной части - рулей высоты. Они являются органами управления самолетом в вертикальной плоскости и служат для перевода его на подъем или снижение.
Вертикальное оперение состоит из киля, неподвижно соединенного с хвостовой частью фюзеляжа и служащего для придания устойчивости самолету в полете (в горизонтальном направлении), подвижной части - руля направления, являющегося органом путевой устойчивости и управляемости. При его помощи можно изменить направление полета самолета вправо и влево, т. е. в горизонтальной плоскости.
Органы для передвижения и посадки - это шасси с хвостовым или передним колесом. Шасси самолета является взлетно-посадочным приспособлением, необходимым для разбега при взлете, смягчения удара при посадке и улучшения управляемости при рулении на земле. В зимних условиях для предохранения от зарывания в снег устанавливается хвостовая лыжа (лыжонок).
Посадка самолета происходит на три точки, например на два передних колеса и одно хвостовое.
Управление самолетом осуществляется при помощи рулей высоты, руля направления и элеронов, Основным требованием, предъявляемым к самолету в полете, является устойчивость и управляемость относительно трех осей (рис. 4), проходящих через центр тяжести самолета - продольной оси ХХ1, поперечной оси УУ1 и вертикальной оси ZZ1, перпендикулярной этим осям. Управляемость самолетом вокруг продольной оси достигается элеронами, поперечной оси - рулями высоты, вертикальной оси - рулем направления. Для управления самолетом служат штурвал и ножные педали. Штурвал соединяется с рулями высоты и элеронами, а ножные педали - с рулем направления и хвостовым колесом. При отклонении штурвала влево поднимаются элероны левых крыльев и опускаются элероны правых крыльев; при этом самолет получает левый крен. При взятии штурвала на себя поднимаются рули высоты и самолет идет на подъем. При подаче штурвала от себя самолет пойдет на снижение.
Управление рулем направления осуществляется путем нажатия ногой педали. Например, при нажатии правой ногой руль повернется направо и самолет развернется вправо.
Винтомоторная группа состоит из мотора, воздушного винта, моторной рамы, системы бензо- и маслопитания и управления мотором. Воздушный винт самолета имеет несколько лопастей правого вращения (по часовой стрелке).
Применяемые самолеты и требования к ним
К самолетам, применяемым для аэрофотосъемки лесов и в лесном хозяйстве, предъявляются различные требования.
В лесном хозяйстве для охраны лесов от пожаров, их тушения, аэротаксации лесов, авиахимической борьбы с вредными насекомыми и других работ наибольшее применение получили самолеты ЯК-12 и АН-2. Самолет ПО-2 снят с производства.
Самолет ЯК-12 - моноплан, с закрытой, но хорошо остекленной кабиной, вмещает четырех человек, включая летчика. Удобен для аэровизуальных наблюдений, имеет хороший обзор и небольшую скорость полета - 90-150 км/ч. Крупно- и среднемасштабная аэрофотосъемка с него возможна только для лесохозяйственных целей при условии невысоких требований в отношении строгого соблюдения высоты полета и угла наклона аэроснимков.
Самолет АН-2 широко используется для авиационной охраны лесов от пожаров, их тушения, авиахимической борьбы с вредными насекомыми, транспорта людей и грузов, а также для аэрофотосъемки. В кабине его свободно размещаются два аэрофотоаппарата, специальное к ним оборудование, в том числе радиовысотомер, статоскоп, и другие приборы, и экипаж до б человек. Это позволяет одновременно производить аэровизуальные наблюдения над лесными массивами. При хорошей устойчивости в воздухе, крейсерской скорости 130-210 км/ч пригоден для средне- и крупномасштабной аэрофотосъемки. Обзор у него для аэровизуальных наблюдений хуже, чем у ЯК-12.
Самолеты ЛИ-2 и ИЛ-12 оборудованы наиболее совершенными пилотажными и аэронавигационными приборами, обладают большой грузоподъемностью и скоростью полета (230-400 км/ч), практической высотой полета до 5000 м, что позволяет применять их для мелко- и среднемасштабной аэрофотосъемки.
К числу специфических требований к аэрофотосъемочным самолетам следует отнести:
1. Необходимость иметь достаточные размеры кабины, позволяющие разместить аэрофотоаппараты и все оборудование к ним (радиовысотомеры, статоскопы и контрольные приборы) и создавать возможность управления ими в полете и устранения мелких неисправностей.
2. Возможность хорошего обзора для аэросъемщика вперед, в стороны и вниз.
3. Способность быстро набирать высоту до 6000 м, обладать крейсерской скоростью до 350 км/ч, иметь запас горючего на 6-8 ч полета.
4. На заданном режиме горизонтального полета самолет должен обладать хорошей продольной, поперечной и путевой устойчивостью, чтобы обеспечить требования, предъявляемые к геометрическому качеству фотографического изображения местности.
Для авиационного обслуживания лесного хозяйства необходимо иметь самолеты как легкого типа, удобные для аэровизуальных наблюдений, с большим диапазоном скорости - от 80 до 200 км/ч, позволяющие производить полеты на низкой высоте, так и тяжелые самолеты с грузоподъемностью в несколько тонн, способные перевозить грузы, рабочих, парашютистов, разные механизмы и вместе с тем пригодные для посадки и взлета с небольших площадей.
Устройство вертолета
Вертолет - летательный аппарат тяжелее воздуха. Иностранное название его - «геликоптер», происходящее от греческих слов hélicos (винт) и pteron (крыло), т. е. винтокрылый. Русское название «вертолет» указывает на основную особенность этого летательного аппарата - «вертикальный полет».
Вертолет способен взлетать вертикально, прямо с места, садиться также вертикально, без пробега. В воздухе он может двигаться в любом направлении, может неподвижно висеть как над пологом леса, так и на высоте нескольких сот метров. Вертолет может производить посадку на поляну среди леса, на сухое безлесное болото и т. д. Взлетные и посадочные скорости, длина разбега и пробега равны нулю, поэтому вертолет не нуждается в специальных аэродромах, он является представителем безаэродромной авиации. Вертолет имеет большой диапазон скоростей - от 0 до 150-200 км/ч. Благодаря этим свойствам он является незаменимым средством связи, транспорта, для выполнения различных заданий при исследовании малодоступных мест в необжитых условиях Севера и Сибири.
К основным частям вертолета относятся; несущий винт, корпус, двигатель, трансмиссия, система управления вертолетом, рулевой (хвостовой) винт и шасси (рис. 5).
Несущий винт у вертолета играет роль крыла. Он приводится во вращение двигателем и служит для создания подъемной силы и тяги. Кроме того, несущий винт является органом управления вертолетом. На вертолетах применяются несущие винты с тремя-четырьмя длинными и узкими (диаметром 15-20 л и более) лопастями. Лопасти несущего винта могут поворачиваться относительно своей оси в осевом шарнире.
Управление движением вертолета по вертикали осуществляется путем изменения оборотов несущего винта или угла установки лопастей. При увеличении скорости вращения винта или угла установки лопастей подъемная сила возрастает и вертолет поднимается. Если обороты винта падают или уменьшается угол установки, то убывает подъемная сила и вертолет снижается. Когда подъемная сила полностью уравновешивается полетным весом вертолета, то он «висит» в воздухе, не снижаясь и не поднимаясь. Как только подъемная сила превысит вес вертолета, он поднимается. Вращаясь, несущий винт стремится повернуть вертолет в сторону, противоположную вращению винта, т. е. создается реактивный момент. Для уравновешивания его используется рулевой винт, который при вращении создает тягу и уравновешивает кручение.
Корпус вертолета выполняет те же функции, что и у самолета. Он связывает все части в одно целое. В нем размещаются двигатель, система управления, специальное оборудование, механизм трансмиссии, кабина для пилота и груза.
Силовая установка и трансмиссия. На современных вертолетах применяются обычные поршневые двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением, авиационные газовые турбины и турбореактивные двигатели.
Для того чтобы передать мощность двигателя на несущий и хвостовой винты, применяют специальный механизм, называемый трансмиссией.
Управление, например одновинтовым вертолетом, состоит из трех систем; управления несущим винтом, управления рулевым винтом и управления газом двигателя.
Управление несущим винтом осуществляется ручкой управления обычного самолетного типа при помощи автомата-перекоса и рычагом «шаг-газ». Управление рулевым винтом осуществляется обычными педалями ножного управления. Управление двигателем выполняется тем же рычагом «шаг-газ», которым управляется и несущий винт.
Рычаг «шаг-газ» называется так потому, что при его перемещении одновременно изменяются шаг винта и мощность (газ) двигателя. Например, при движении рычага «шаг-газ» вниз установочные углы или шаг лопасти несущего винта будут уменьшаться, уменьшится при этом и мощность двигателя. Следовательно, вертолет начнет снижаться.
Хвостовой винт устанавливается только на одновинтовых вертолетах. Он уравновешивает реактивный момент несущего винта и осуществляет путевое управление, т. е. используется для выполнения поворота.
Шасси служит для погашения возможных ударов, толчков при приземлении и опорой при стоянке. Шасси бывает колесное, поплавковое и полозковое.
На легких вертолетах обычно бывает три колеса, а на тяжелых - четыре.
Классификация вертолетов
Вертолеты различаются по количеству несущих винтов, их расположению, способу привода вращения. В соответствии с этими признаками вертолеты бывают одновинтовыми с рулевым винтом, с двумя несущими винтами, расположенными соосно, с двумя продольно расположенными винтами, с двумя поперечно расположенными несущими винтами, с реактивным приводом несущего винта и др. (рис. 6).
Наиболее распространенными являются одновинтовые вертолеты с рулевым винтом конструкции М.Л, Миля (МИ-1, МИ-4, МИ-6, В-2, В-8 и др.). Они просты по конструкции и в управлении. Недостатками их являются длинный хвост (большие габариты) и значительная потеря мощности (до 10%) на работу рулевого винта.
У вертолетов соосной конструкции оба винта находятся на одной оси, один под другим. Вал верхнего винта проходит внутри полого вала нижнего винта. За счет вращения несущих винтов в противоположных направлениях погашается реактивный момент. Эти вертолеты имеют небольшие размеры, малый вес, хорошую управляемость и маневренность,
К недостаткам соосных вертолетов относятся потеря мощности нижним несущим винтом, работающим в струе воздуха, отброшенного верхним винтом, и трудность расчета при конструировании.
По этой схеме создаются легкие вертолеты Н.И. Камовым: одноместные КА-10, двухместные КА-15 и четырехместные КА-18.
У вертолетов с двумя продольно расположенными несущими винтами один винт находится над носовой частью фюзеляжа, а другой - над хвостовой. Винты вращаются в противоположные стороны для взаимного погашения реактивного момента. Недостатком их является то, что задний винт работает в воздушной среде, предварительно возмущенной передним винтом, а это уменьшает коэффициент его полезного действия.
Винты у вертолетов с двумя поперечно расположенными несущими винтами укреплены на специальных балках по бокам фюзеляжа. Вращаясь в противоположных направлениях, они создают хорошую поперечную устойчивость.
Двигатель вертолета служит для вращения несущего винта. Если на вертолете имеется несколько несущих винтов, то они могут приводиться во вращение от одного общего двигателя или каждый от отдельного двигателя, но так, чтобы вращение винтов было строго синхронизировано.
Назначение двигателя на вертолете отличается от назначения двигателя на самолете, автожире, дирижабле, так как в первом случае он вращает несущий винт, посредством которого создает как тягу, так и подъемную силу, в остальных же случаях он вращает тянущий винт, создавая только тягу «ли силу реакции газовой струи (на реактивном самолете), также дающей только тягу.
Если на вертолете установлен поршневой двигатель, то в его конструкции должен быть учтен ряд особенностей, присущих вертолету.
Вертолет может летать при отсутствии поступательной скорости, т. е. висеть неподвижно относительно воздуха. В этом случае отсутствует обдув и охлаждение двигателя, водо-радиатора и маслорадиатора, в результате чего возможен перегрев двигателя и выход его из строя. Поэтому на вертолете целесообразней применять двигатель не водяного, а воздушного охлаждения, так как последний не нуждается в тяжелой и громоздкой системе жидкостного охлаждения, для которой на вертолете потребовались бы очень большие поверхности охлаждения.
Двигатель воздушного охлаждения, обычно устанавливаемый на вертолете в туннеле, должен иметь привод для вентилятора принудительного обдува, который обеспечивает охлаждение двигателя на режиме висения и при горизонтальном полете, когда скорость относительно невелика.
В этом же туннеле устанавливается маслорадиатор. Регулировка температуры двигателя и масла может осуществляться путем изменения величины входного или выходного отверстий туннеля при помощи подвижных заслонок, управляемых из кабины летчика вручную или автоматически.
Авиационный поршневой двигатель обычно имеет номинальное число оборотов порядка 2000 в минуту. Понятно, что полное число оборотов двигателя на винт передавать нельзя, так как при этом концевые скорости лопастей будут настолько велики, что вызовут возникновение скоростного срыва потока. Из этих соображений число М на концах лопастей должно быть не более 0,7-0,8. Кроме того, при больших центробежных силах несущий винт был бы тяжелой конструкции.
Подсчитаем, какова величина максимально допустимых оборотов несущего винта диаметром в 12 м, при которых число М концов лопастей не превышает 0,7 для высоты полета в 5000 м при скорости полета в 180 км/час,
Итак, двигатель для вертолета обязательно должен иметь редуктор с высокой степенью редукции.
На самолете двигатель всегда жестко соединен с винтом. Прочный, малого диаметра цельнометаллический винт легко выдерживает рывки, сопровождающие запуск поршневого двигателя, когда он резко набирает несколько сот оборотов. Винт вертолета, имеющий большой диаметр, далеко разнесенные от оси вращения массы п, следовательно, большой момент инерции, не рассчитан на резкие переменные нагрузки в плоскости вращения; при запуске может произойти повреждение лопастей от пусковых рывков.
Поэтому необходимо, чтобы в момент запуска несущий винт вертолета был отсоединен от двигателя, т. е. двигатель должен запускаться вхолостую, без нагрузки. Обычно это осуществляется введением в конструкцию двигателя фрикционной и кулачковой муфт.
Перед запуском двигателя муфты должны быть выключены, при этом вращение вала двигателя на несущий винт не передается.
Однако без нагрузки двигатель может развить очень большие обороты (дать раскрутку), которые вызовут его разрушение. Поэтому при запуске до включения муфт нельзя полностью открывать дроссельную заслонку карбюратора двигателя и превышать установленное число оборотов.
Когда двигатель уже запущен, необходимо соединить его с несущим винтом посредством фрикционной муфты.
В качестве фрикционной муфты может служить гидравлическая муфта, состоящая из нескольких металлических дисков, покрытых материалом, обладающим высоким коэффициентом трения. Часть дисков соединена с валом редуктора двигателя, а промежуточные диски соединены с приводом главного вала к несущему винту. До тех пор, пока диски не сжаты, они свободно проворачиваются относительно друг друга. Сжатие дисков осуществляется поршнем. Подача масла с высоким давлением под поршень заставляет поршень передвигаться и постепенно сжимать диски. При этом крутящий момент от двигателя передается на винт постепенно, плавно раскручивая винт.
Счетчики оборотов, установленные в кабине, показывают числа оборотов двигателя и винта. Когда обороты двигателя и винта равны, это означает, что диски гидравлической муфты плотно прижаты друг к другу и можно считать, что муфта соединена по типу жесткого сцепления. В этот момент может быть плавно (без рывков) включена кулачковая муфта.
Наконец, для обеспечения возможности самовращения, несущего винта надо, чтобы винт автоматически отключался от двигателя. До тех пор, пока двигатель работает и вращает винт, кулачковая муфта находится в зацеплении. При отказе же двигателя его обороты быстро уменьшаются, но несущий винт некоторое время по инерции продолжает вращение с тем же числом оборотов; в этот момент кулачковая муфта выходит из зацепления.
Несущий винт, отсоединенный от двигателя, может продолжать затем вращение на режиме самовращения.
Полет на режиме самовращения с учебными целями производится при выключенном двигателе или при работающем двигателе, в последнем случае обороты его уменьшаются настолько, чтобы винт (с учетом редукции) делал большее число оборотов, чем коленчатый вал двигателя.
После посадки вертолета обороты двигателя сначала уменьшаются, выключается муфта сцепления, а затем останавливается двигатель. При стоянке вертолета винт всегда должен быть заторможен, иначе он может начать вращаться от порывов ветра.
Мощность двигателя вертолета расходуется на преодоление сопротивления вращения несущего винта, на вращение рулевого винта (6-8%), на вращение вентилятора (4-6%) и на преодоление потерь в трансмиссии (5-7%).
Таким образом, несущий винт использует не всю мощность двигателя, а только часть ее. Использование винтом мощности двигателя учитывается коэффициентом, который показывает, какую часть мощности двигателя использует несущий винт. Чем выше этот коэффициент, тем более совершенна конструкция вертолета. Обычно = 0,8, т. е. винт использует 80 % мощности двигателя:
Мощность поршневого двигателя зависит от весового заряда воздуха, всасываемого в цилиндры, или от плотности окружающего воздуха. В связи с тем, что с поднятием на высоту плотность окружающего воздуха уменьшается, постоянно падает также мощность двигателя. Такой двигатель носит название невысотного. С поднятием на высоту 5000-6000 м мощность такого двигателя уменьшается примерно вдвое.
Для того чтобы до определенной высоты мощность двигателя не только падала, а даже увеличивалась, на магистрали всасывания воздуха в двигатель ставят нагнетатель, повышающий плотность всасываемого воздуха. За счет нагнетателя мощность двигателя до определенной высоты, называемой расчетной, возрастает, а затем падает так же, как у невысотного.
Нагнетатель приводится во вращение от коленчатого зала двигателя. Если в передаче от коленчатого вала к нагнетателю имеются две скорости, причем при включении второй скорости увеличиваются обороты нагнетателя, то с поднятием на высоту можно дважды обеспечивать повышение мощности. Такой двигатель имеет уже две расчетные высоты.
На вертолетах, как правило, устанавливаются двигатели с нагнетателями.
