Винты и лопасти: как они создают подъемную силу

Вертолет поднимается в воздух без крыльев и без разбега – это удивляет любого, кто наблюдает взлет вблизи. Секрет не в двигателе как таковом, а в том, что делают с воздухом вращающиеся лопасти. Каждая из них работает как узкое крыло, которое вместо полета по прямой описывает окружность несколько раз в секунду.

Разберем, за счет чего лопасть создает подъемную силу, из каких узлов собран несущий винт, по какой траектории он движется в полете и почему на хвосте почти всегда стоит еще один винт – или что-то, что его заменяет.

Как работают лопасти вертолета

Лопасти винта вертолета создают подъемную силу примерно по тому же принципу, что и крыло самолета. Разница в том, что крыло движется вперед вместе с самолетом, а лопасть вращается вокруг оси и постоянно проходит через воздушный поток.

Каждая лопасть имеет аэродинамический профиль: верхняя поверхность более выпуклая, а нижняя более плоская. Во время движения воздух проходит над верхней частью быстрее, чем под нижней. Из-за разницы давления возникает подъемная сила.

Однако в отличие от крыла, у лопасти скорость воздушного потока сильно меняется вдоль ее длины. У втулки она почти нулевая и максимальная у конца, поэтому профиль лопасти делают переменным. По основанию он толще и шире (чтобы выдерживать изгибающие нагрузки), а к концу становится тоньше и уже – так снижают сопротивление и обеспечивают устойчивое обтекание на разных режимах.

Но одной формы недостаточно. Важен еще и угол атаки – положение лопасти относительно встречного потока воздуха. Для большинства вертолетных профилей рабочий диапазон углов атаки составляет от 0° до 12-14°. На висении, когда вертолет неподвижен, угол обычно держится в районе 8-10°, а при быстром снижении его могут уменьшать до 2-4°, чтобы избежать срыва. При превышении 14-16° угол атаки становится слишком большим, поток начинает отрываться от поверхности профиля и перестает «следовать» за лопастью.

Это явление называется срывом потока. В этот момент подъемная сила на участке лопасти резко падает, и она перестает работать как аэродинамический профиль. Это отражается на управлении: поскольку разные участки диска винта создают неодинаковую тягу, вертолет реагирует менее предсказуемо на команды пилота. Появляются вибрации, ухудшается устойчивость по крену и тангажу, а при развитии срыва возможен переход в опасные режимы, например неравномерную загрузку диска винта.

У большинства вертолетов несущий винт вращается примерно со скоростью 200-350 оборотов в минуту. На первый взгляд кажется, что это невысокий показатель, но важно учитывать диаметр винта. Лопасть движется по окружности, и ее линейная скорость растет пропорционально радиусу. Например, при диаметре винта около 10-11 метров законцовка может двигаться со скоростью более 600-700 км/ч.

Число лопастей тоже влияет на эффективность. Двухлопастные винты проще и дешевле, но дают заметные пульсации тяги. Трех- и четырехлопастные работают плавнее и тише, а пятилопастные позволяют снизить нагрузку на каждую лопасть и получить более высокий потолок висения – но при этом растет масса втулки и сложность балансировки.

Во время полета вперед возникает еще одна особенность. Лопасть, которая движется навстречу потоку воздуха (наступающая), получает большее обтекание, чем та, которая движется в обратную сторону (отступающая). Без компенсации это привело бы к крену и потере устойчивости. Поэтому автомат перекоса непрерывно меняет угол установки каждой лопасти в течение каждого оборота, сохраняя равномерную подъемную силу по всему диску винта. Эти изменения происходят с частотой вращения винта – 3-6 раз в секунду, и точность регулировки составляет доли градуса.

Фактически пилот управляет не столько оборотами двигателя, сколько тем, как именно лопасти взаимодействуют с воздухом в каждой точке вращения. Обороты же поддерживаются автоматическим регулятором (говернером), который удерживает их в узком диапазоне, чтобы концы лопастей не вышли за скоростной предел – примерно 220-230 м/с (около 800 км/ч), за которым резко растет сопротивление и падает эффективность.

Из каких элементов собран несущий винт

Система винта вертолета состоит из нескольких основных узлов, которые вместе передают крутящий момент и обеспечивают управление лопастями. Ключевые элементы конструкции:

• Втулка несущего винта, на которой закреплены лопасти. Через нее передается крутящий момент от главного редуктора.
• Сами лопасти. Их число варьируется от двух до пяти у некоторых современных моделей.
• Вал несущего винта, соединяющий втулку с редуктором.
• Автомат перекоса – сложный механизм с неподвижной и вращающейся плитами, который преобразует движения ручек пилота в изменение угла установки каждой лопасти.
• Демпферы и шарниры, гасящие вибрации и позволяющие лопасти качаться в вертикальной и горизонтальной плоскостях (иначе жестко закрепленная лопасть сломалась бы от переменных нагрузок).

С какой скоростью и по какой траектории движутся лопасти

При зависании конец каждой лопасти описывает почти правильную окружность – эта воображаемая плоскость называется диском несущего винта. В этом режиме движение относительно простое: лопасть равномерно вращается вокруг оси, а ее траектория задается только геометрией винта.

При переходе в горизонтальный полет картина усложняется. Автомат перекоса наклоняет диск вперед, и в течение одного оборота лопасть проходит через две зоны: наступающую (движение навстречу потоку) и отступающую (по направлению потока). На наступающей стороне скорость вращения складывается со скоростью полета, на отступающей – вычитается, из-за чего подъемная сила распределяется неравномерно. Чтобы компенсировать этот дисбаланс, автомат перекоса непрерывно изменяет угол установки лопасти в зависимости от ее положения на окружности. Поэтому конец лопасти по-прежнему описывает вращение вокруг оси, но к нему добавляется небольшое периодическое смещение в сторону полета. Из-за этого траектория становится не идеальной окружностью, а слегка «волнообразной» кривой, причем ближе к втулке эти отклонения почти незаметны, а к концу лопасти выражены сильнее из-за большей линейной скорости.

Частота вращения несущего винта у большинства вертолетов составляет примерно 200-350 оборотов в минуту. У тяжелых машин она ниже (около 190-250), у легких – выше, вплоть до 350-400 об/мин. Это напрямую связано с диаметром винта: чем он больше, тем меньшие обороты нужны для получения той же подъемной силы.

Ограничение здесь задается скоростью конца лопасти. При вращении она складывается с поступательной скоростью вертолета на наступающей стороне, и при высоких оборотах приближается к околозвуковым значениям. На отступающей стороне одновременно падает эффективная скорость обтекания, и лопасть приближается к режиму срыва потока. Из-за этой двойной границы максимальная скорость классических одновинтовых вертолетов обычно ограничена диапазоном 300-370 км/ч.

Зачем вертолету хвостовой винт

Вращающийся несущий винт создает реактивный момент, который по третьему закону Ньютона стремится развернуть фюзеляж в обратную сторону – без компенсации вертолет просто закрутило бы вокруг своей оси. Рулевой винт вертолета, установленный на хвостовой балке, создает боковую тягу и гасит этот момент, а заодно позволяет развернуться на месте без движения вперед.

Задний винт вращается в несколько раз быстрее несущего и забирает порядка 10-15% мощности двигателя, поэтому конструкторы ищут способы обойтись без него или сделать его эффективнее: где-то винт закрывают в кольцевой канал хвостовой балки – это снижает шум и защищает лопасти от веток и грунта, где-то заменяют его отдельной струей воздуха, а на некоторых машинах реактивный момент вообще гасят вторым несущим винтом, вращающимся в противоположную сторону.

А бывают ли вертолеты без винтов?

Несущий винт есть у любого вертолета – без него аппарат просто не создает подъемную силу и перестает быть вертолетом. А вот без отдельного хвостового винта некоторые машины действительно обходятся.

У соосных вертолетов на одной оси стоят два несущих винта, вращающихся навстречу друг другу. Их реактивные моменты гасят друг друга, поэтому отдельный узел для компенсации не нужен, а рысканьем машина управляет, слегка меняя шаг лопастей одного винта относительно другого.

Еще один вариант – технология NOTAR (No Tail Rotor), которую с 1980-х применяет McDonnell Douglas на своих легких вертолетах. Вентилятор внутри хвостовой балки нагнетает воздух и выпускает его через продольные щели вдоль одной ее стороны. За счет эффекта Коанда поток «прилипает» к поверхности и обтекает балку несимметрично – точно так же, как несимметричный профиль крыла создает подъемную силу, только здесь возникает боковая сила. Сопло на конце балки добавляет тяги для точных разворотов. Хвостового винта у такой машины действительно нет, а вместе с ним пропадает и риск задеть лопастями ветку или человека при посадке на неподготовленную площадку.

Что происходит, если винт останавливается в полете

Отказ двигателя не означает, что вертолет камнем упадет вниз. Пока лопасти сохраняют вращение, встречный поток воздуха, идущий снизу вверх через диск при снижении, сам раскручивает несущий винт – это явление называется авторотацией. Пилот переводит машину в планирующее снижение, а перед самой землей запасенной в лопастях кинетической энергией «подтормаживает» посадку общим шагом.

Отказ хвостового винта – более серьезная ситуация, но она тоже отрабатывается в программе подготовки пилотов. На скорости часть нагрузки берет на себя киль за счет встречного потока. На висении этого эффекта нет, поэтому компенсация зависит от конструкции вертолета и запаса мощности. Поэтому схема борьбы с крутящим моментом – не только инженерный выбор, но и фактор, который учитывают при подборе машины под задачи эксплуатации.

Почему конструкция винта важна не только инженерам

Число лопастей, их материал и конструкция втулки влияют не только на характеристики полета, но и на уровень вибраций, стоимость обслуживания, ресурс деталей и поведение машины в сложных условиях.

На этапе выбора вертолета эти различия не всегда очевидны. Две внешне похожие модели могут заметно отличаться по расходам на обслуживание или по тому, как ведут себя при высоких температурах, на больших высотах или при частых посадках.