Схема вертолета описывает количество несущих винтов вертолёта, а также тип устройств, используемых для управления вертолетом.
Усилие для раскручивания несущего винта может передаваться от двигательной установки через осевой вал. В этом случае по третьему закону Ньютона возникает реактивный момент, закручивающий корпус вертолета в противоположную от вращения несущего винта сторону (на земле такому вращению препятствует шасси аппарата).
Существует ряд основных конструктивных схем компенсации реактивного момента и управления вертолета с использованием как единственного, так и нескольких несущих винтов.
В случаях, когда раскручивание несущего винта осуществляется либо набегающим потоком воздуха (автожиры, вертолеты в режиме полета на авторотации), либо с помощью реактивных струй, расположенных на концах лопастей (реактивный вертолет), реактивный момент не возникает, и соответственно, необходимость в его компенсации отсутствует.
В таких схемах для компенсации реактивного момента используются устройства, создающие тягу, которая закручивает вертолёт в противоположном реактивному моменту направлении. Преимуществом таких схем является их относительная простота, однако при этом происходит отбор мощности силовой установки вертолета.
В данной схеме винт небольшого диаметра располагается на хвостовой балке вертолёта на некотором расстоянии от оси несущего винта. Создавая тягу в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси вертолёта, рулевой винт компенсирует реактивный момент. Изменяя тягу рулевого винта, можно управлять поворотом вертолёта относительно вертикальной оси. Большинство современных вертолетов выполнено по одновинтовой схеме.[1]
Впервые её запатентовал на своем летательном аппарате Борис Юрьев вместе с автоматом перекоса в 1912 году[2]. Однако первую подобную модель предложил в 1874 году немецкий конструктор Аченбах.[3]
Первый успешный вертолёт VS-300 с рулевым винтом построил Игорь Сикорский, вертолёт поднялся в воздух 13 мая 1940 года. Успех данного вертолета заключается в том, что на основе этой модели для американской армии серийно выпускался вертолёт R-4.
Неоспоримым преимуществом данной схемы является простота конструкции и системы управления, что приводит к уменьшению затрат на производство, ремонт и обслуживание.
Кроме того, выпускают вертолёты, например Ми-28, с так называемым Х-образным, четырехлопастным рулевым винтом, лопасти которого имеют различные взаимные углы установки на втулке (наподобие буквы X). Винт такого типа обладает преимуществами перед обычным (с равномерным азимутальным распределением лопастей) по уровню шума и уменьшению неблагоприятного воздействия на лопасти концевых вихревых шнуров, генерируемых соседними лопастями.
Недостатки данной схемы:
В современном вертолетостроении иногда применяют многолопастный рулевой винт в кольцевом канале киля — фенестрон (от лат. fenestra — окно)[4]. Диаметр фенестрона в два с лишним раза меньше, чем диаметр обычного рулевого винта. Впервые применён на лёгких вертолётах французской фирмы «Аэроспасьяль». Используется в конструкциях легких и средних вертолётов[5]
Такая конструкция имеет несколько существенных преимуществ:
Недостатками являются:
В этой схеме используются винты, расположенные на крыльях или фермах летательного аппарата — винтокрыла. Причём тяга обоих винтов направлена вперёд, а для компенсации реактивного момента в режиме висения один из винтов обеспечивает бо́льшую тягу, чем другой. В режиме полёта эти винты используются как тянущие, что увеличивает скорость винтокрыла, при этом несущий винт переходит в режим авторотации. Первый аппарат с таким принципом компенсации реактивного момента предложил и запатентовал Б. Н. Юрьев в 1910 году[6]. Примером такой модели в настоящее время может служить Eurocopter X3.
Преимуществом винтокрыла можно считать высокие скорости полёта, недостижимые для классической схемы в силу особенностей аэродинамики. Так, например, винтокрыл «Ротодайн» фирмы «Фейри» в 1959 году достиг скорости в 307,22 км/ч,[7], а Eurocopter X3 в 2010 году — 430 км/ч.
Недостатком такой системы является потеря бóльшей мощности на компенсацию реактивного момента в режиме висения по сравнению с рулевым винтом.
Однако не все винтокрылы используют данный способ компенсации. Например, винтокрыл Ка-22 использовал для противодействия реактивному моменту пару поперечных винтов, а Ротодайн — реактивное вращение лопастей.
Для компенсации реактивного момента используется система управления пограничным слоем на хвостовой балке, применяющая эффект Коанда, вместе с реактивным соплом на конце балки, или же только реактивное сопло.
Управляющая сила эффекта Коанды возникает по той же причине, по какой возникает подъёмная сила крыла — из-за несимметричного обтекания профиля хвостовой балки нисходящим воздушным потоком, образованным несущим винтом. Вентилятор, расположенный у основания хвостовой балки засасывает воздух из отверстий, расположенных вверху корпуса вертолёта, создавая необходимое повышенное давление внутри хвостовой балки. На правой стороне хвостовой балки с помощью специальных сопел устанавливается более быстрое движение воздушного потока, чем на левой стороне. Тем самым, вследствие закона Бернулли, давление воздуха на левой стороне будет больше, чем на правой, эта разность давлений приводит к появлению силы, направленной слева направо.
Примечание: на схеме синими стрелками показаны потоки воздуха, проходящие через хвостовую балку, красными — по поверхности хвостовой балки.
На Западе известна как NOTAR, англ. No Tail Rotor — «без хвостового винта». В Советском Союзе эксперименты проводились на вертолёте Ка-26-СС. Серийно вертолёты, использующие такую схему, выпускаются компанией «MD Helicopters».
Данная система является из-за отсутствия рулевого винта самой тихой и безопасной.
В этих схемах из-за отсутствия трансмиссии, передающий крутящий момент от силовой установки к несущему винту, не требуется компенсация реактивного момента. Преимуществом таких схем является простая конструкция, а общим недостатком можно считать небольшую скорость при значительном расходе топлива. Для управления по рысканью может использоваться рулевой винт, отклоняемые поверхности либо реактивные устройства.
Существуют различные варианты этой схемы:
Самый первый реактивный геликоптер спроектировал и построил немецкий конструктор Добльгоф.[9] Экспериментальные реактивные вертолёты строились также в Польше, в США их разработкой по заказу военных довольно долго занималась фирма «Хьюз». Однако большего успеха добилась американская компания «Hiller», которая выпускала вертолёты YH-32 «Хорнет» и HJ-1 «Колибри» малыми сериями для армии, флота и полиции[10]. В 1956 году в американец российского происхождения Евгений Глухарев поднял в воздух первый реактивный ранцевый вертолёт MEG-1X[11]. В настоящий момент вертолёты с реактивным приводом серийно не производятся.
Основным преимуществом такой схемы является простая и сравнительно лёгкая конструкция, исключающая сложную трансмиссию.
Главными недостатками такой компоновки считается:
Для варианта с воздушно-реактивными двигателями к тому же:
Реактивные моменты в таких схемах взаимно компенсируются синхронным разнонаправленным вращением двух винтов. Плоскости вращения винтов могут иметь различные степени перекрытия при количестве лопастей меньше четырёх.
Общим преимуществом таких схем является отсутствие потерь мощности на компенсацию реактивного момента, однако такие схемы обладают комплексной сложностью:
Продольная схема состоит из двух горизонтальных винтов, расположенных друг за другом и вращающихся в разных направлениях. Задний винт приподнят над передним для уменьшения негативного влияния воздушной струи от переднего винта. Данная схема в основном используется в вертолётах большой грузоподъёмности. Вертолёты с продольной схемой иногда называют «летающими вагонами».[12]
Первопроходцем в создании вертолёта, построенного по продольной схеме, стал французский инженер Поль Корню. В 1907 году его аппарат смог оторваться от земли на 20 секунд. При первом испытании аппарат оторвался от земли сначала на 0 3 м (полная масса 260 кг), затем на 1 5 м (полная масса 328 кг)[13].
Дальнейшим развитием данной конструкции занялся американец Франк Пясецки, выпустив в 1945 году для армии США вертолёт, который из-за своей формы получил название «летающий банан».
В Советском Союзе тоже велись работы в этом направлении. В 1952 году под руководством Игоря Александровича Эрлиха[14] после всего лишь 9 месяцев с начала проектирования состоялся первый полёт Як-24, превосходивший по тому времени все зарубежные образцы.[15]
Положительными сторонами этой схемы вертолёта являются:
К недостаткам продольной схемы вертолёта относятся:
Поперечные винты устанавливаются на концах крыльев или специальных опор (ферм) по бокам корпуса вертолёта. К поперечной схеме можно отнести и некоторые конвертопланы в вертолетном режиме, например Bell V-22 Osprey, Bell Eagle Eye.
В 1921 году американский инженер Генри Берлинер вместе с отцом Эмилем Берлинером спроектировал вертолет поперечной схемы. Он разместил по бокам самолетного фюзеляжа два небольших, четырёхметровых винта, а на хвосте рулевой пропеллер с вертикальной осью вращения — он должен был «задирать» хвост аппарата, чтобы у винтов появлялась горизонтальная составляющая тяги для движения вертолета вперед. Для управления вертолетом использовались отклоняемые поверхности, типа элеронов, а также наклоняемые оси несущих винтов.[17]
Первым успешным вертолетом поперечной схемы стал немецкий Focke-Wulf Fw 61, который в 1937 году поставил ряд рекордов по дальности и скорости. В Советском Союзе первым вертолетом поперечной схемы стал проект «Омега» 1941 года.[18]
Достоинства:
К недостаткам этой схемы следует отнести:
Соосная схема представляет собой пару винтов, расположенных один над другим на соосных валах, вращающихся в противоположные стороны, благодаря чему компенсируются реактивные моменты, возникающие от каждого из винтов.
Первый патент на соосное расположение несущих винтов летательного аппарата был выдан в 1859 году англичанину Генри Брайту.
В начале 1920-х Рауль Петерас-Пескара работал над вертолетом соосной схемы, в котором впервые применил для управления вертолетом автомат перекоса.
Первым полностью управляемым стал вертолет Лабораторный гироплан (англ.), построенный часовщиком Луи Бреге и Рене Дораном в 1936 году [19][20].
Первый полёт вертолета соосной схемы с полностью металлическими лопастями совершил американец Стенли Хиллер в 1944 году. Конструкция оказалась настолько удачной, что сам Хиллер часто демонстрировал его устойчивость, отпуская рычаги управления и высовывая руки из окон.[21]
В Советском Союзе темой соосных вертолетов впервые занялся коллектив Яковлева в 1944 году, чуть позже в 1945 году за работу взялся коллектив энтузиастов под руководством Н. И. Камова. Стоит отметить, что ещё в российской империи первые два прототипа вертолета Игоря Сикорского (создателя первого успешного вертолета классической схемы V-300) были выполнены по соосной схеме[19].
Вертолет Яковлева «Шутка» впервые поднялся в воздух 20 декабря 1947 года[22], а вертолёт Камова Ка-8 — несколько ранее, 12 ноября 1947 года[23]. Однако именно для конструкторского бюро Камова соосная схема стала основной, по сей день вертолёты Камова — единственные в мире вертолёты с соосной схемой, выпускаемые серийно.
Достоинства соосной схемы:
Недостатки:
Несущие винты расположены по бокам фюзеляжа со значительным перекрытием, а их оси наклонены наружу под углом друг к другу, исключая таким образом возможность перехлёста. Фактически такая схема является частным случаем поперечной схемы с максимально возможным перекрытием несущих винтов, в то же время обладает свойствами соосной схемы. Из-за наклона винтов реактивные моменты уравновешиваются только относительно вертикальной оси, а их проекции относительно поперечной оси складываются, образуя момент тангажа.[25]
В настоящий момент единственным серийным производителем подобных вертолётов является американская компания Kaman Aircraft. Отличительной особенностью данной фирмы являются использование в системе управления вертолётом сервозакрылок, установленных на лопастях, принцип действия которых схож с элероном самолёта.
Достоинства:
Недостатки:
В основном вертолёты данной конструкции используют четыре винта, одна пара из которых расположены в продольной схеме, а другая — в поперечной, хотя встречаются конструкции как с тремя несущими винтами (Ми-32, Cierva Air Horse (англ.)русск.), так и с большим числом винтов (Мультикоптер (англ.)русск.).
Отличается большим весом, но вместе с тем простотой управления, так как такая схема не требует автомата перекоса, а направление полёта задаётся регулированием мощности на каждом из винтов в отдельности.
В настоящий момент пользуется все большей популярностью в радиоуправляемых вертолетах.
Схема изначально была представлена в прототипах начала двадцатого века на заре авиации.
К вертолетам такой схемы можно отнести квадрокоптер Георгия Ботезата, бывшего профессора Петроградского технологического института, эмигрировавшего в Америку; вертолёт Этьена Эмишена, который помимо 4 несущих винтов имел 6 небольших пропеллеров для поддержания равновесия и 2 винта для горизонтального полета[26]
К многовинтовой схеме можно отнести и некоторые конвертопланы, например Curtiss-Wright X-19, Bell X-22, Bell Boeing Quad TiltRotor(проект).
Схемы вертолётов.
