Георгий Тиняков - Пилотирование вертолета

Несущий винт вертолета создает подъемную силу, необходимую для полета вертолета. Тяга несущего винта, наклоняемого летчиком в любую сторону, не только создает тягу в ту же сторону, но и дает эффект, аналогичный действию руля высоты или элеронов на самолете. Только повороты вертолета относительно его вертикальной оси производятся при — помощи рулевого винта.

Таким образом, видно, что несущий винт, помимо создания подъемной силы, выполняет функции руля высоты, элеронов и тянущего винта, следовательно, он является самой важной и ответственной частью вертолета.

С этой точки зрения вертолет является более совершенным летательным аппаратом по сравнению с любым самолетом.

Необходимо отметить, что лопасти несущего винта вертолета работают в несколько иных условиях, чем крыло самолета.

Если все точки крыла самолета встречают поток воздуха, имеющий одну и ту же скорость, то элементы лопасти вращающегося несущего винта вертолета обтекаются воздухом с различной скоростью. Величину окружной скорости элемента лопасти можно определить по формуле

V окр. эл= n∙2π∙ R э/60

где V окр. эл— окружная скорость элемента лопасти в м/сек ;

n — число оборотов несущего винта в минуту;

R э— радиус положения элемента лопасти в м .

Однако окружная скорость на конце лопасти несущего винта вертолета не должна превышать 0,7–0,8 скорости звука, т. е. 220–270 м/сек, так как при большей скорости резко возрастают потери на винте, а следовательно, уменьшается его коэффициент полезного действия.

Вместе с тем очень выгодно иметь несущие винты наибольшего диаметра, так как при этом резко возрастает их коэффициент полезного действия вследствие увеличения площади, ометаемой лопастями, и уменьшения нагрузки на квадратный метр этой площади.

Если у самолетов важно сохранять в определенных пределах нагрузку на квадратный метр площади крыла, которая определяется по формуле

p= G пол/ S кр,

где р — нагрузка на площадь крыла в кг/м 2 ;

G пол— полетный вес самолета в кг ;

S кр — площадь крыла самолета в м 2 ,

то у вертолетов принято определять нагрузку на квадратный метр ометаемой несущим винтом площади, которая равна

p= G пол/π∙ R 2∙ K

где р — нагрузка на ометаемую площадь в кг/м 2 ;

G пол— полетный вес вертолета в кг ;

R — радиус несущего винта в м ;

К — коэффициент, равный 0,9 ÷ 0,92.

Следует иметь в виду, что при определении нагрузки на ометаемую винтом площадь необходимо брать не геометрическую F геом, а эффективную F эф площадь винта, которая меньше геометрической вследствие потерь на несущем винте. Комлевые потери несущего винта происходят из-за малых скоростей элементов лопастей у комля, а также из-за того, что середина винта занята втулкой. Концевые потери возникают за счет волнового сопротивления концевой части лопасти и перетекания потока у конца снизу вверх. Отношение эффективной площади несущего винта к его геометрической площади равно

K= F эф/ F геом = 0,9 ÷ 0,92

Обычно на хорошо летающих вертолетах нагрузка на квадратный метр ометаемой винтом площади имеет следующие значения:

— для легких вертолетов — 11–15 кг/м 2 ;

— для тяжелых вертолетов — 18–23 кг/м 2 .

Диаметр несущих винтов на двух-трехместных вертолетах достигает 10–15 м, на средних вертолетах — 17–20 м, а на тяжелых вертолетах — 20–25 м и более.

Отношение площади всех лопастей несущего винта к ометаемой площади принято называть коэффициентом заполнения ( σ ), величина которого у современных вертолетов колеблется в пределах 0,03—0,08.

У всех, кто в первый раз видел вертолет с остановленным несущим винтом, закрадывалось сомнение: могут ли узкие и гибкие лопасти несущего винта, на вид такие непрочные, быть надежной опорой для такой тяжелой машины, как вертолет, тем более что они закреплены на втулке винта не жестко, а при помощи шарниров.

Однако эти опасения совершенно неосновательны.

Лопасть неподвижного несущего винта вертолета очень гибка. Опираясь на нижний упор втулки под действием только своего веса, она, сильно изогнувшись, свешивается вниз.

В таком состоянии она не способна удержать вес даже одного человека. Зато лопасть вращающегося несущего винта, растянутая огромной центробежной силой, которая на рассматриваемом вертолете достигает 9 г, а на тяжелых вертолетах может превышать 20 т, превращается в прочное, упругое и надежное крыло.

Схемы сил, действующих на одну из лопастей несущего винта в вертикальной плоскости и плоскости вращении, приведены на рис. 32; на векторах сил указаны примерные их значения, так как изображение их в одном масштабе потребовало бы большого размера рисунка.

Рис. 32. Схема сил, действующих на лопасть несущего винта вертолета:

1 — подъемная сила; 2— сила веса лопасти; 3— центробежная сила; 4— кориолисовы силы

Угол β называется углом конусности и для каждого типа вертолета зависит в основном от оборотов несущего винта и полетного веса вертолета. Следует напомнить, что, как показали специальные летные исследования, более гибкая лопасть несущего винта и в то же время достаточно жесткая на кручение испытывает в полете меньшие напряжения, имея большее аэродинамическое качество, чем такая же, но более жесткая лопасть.

Кроме того, известно, что аэродинамическое качество лопасти в сильной степени зависит от состояния ее поверхности, формы в плане и геометрической закрутки. Чем глаже поверхность лопасти, тем выше ее качество. Трапециевидные в плане лопасти, так же как крылья самолета, с сужением 2–2,5 и с отрицательной на конце геометрической закруткой имеют качество на 10–12 % выше, чем прямоугольные в плане незакрученные лопасти (рис. 33).

Рис. 33. Зависимость относительного коэффициента полезного действия несущего винта от формы лопасти и качества ее поверхности

Ознакомимся подробнее с работой несущего винта.

Первые вертолеты, имевшие несущие винты с жестко закрепленными на втулке лопастями, могли неподвижно висеть у земли при безветрии. При первой же попытке начать поступательное движение вертолет начинал крениться; с увеличением скорости крен резко возрастал и вертолет либо прекращал движение, либо опрокидывался.