Вертолёт — винтокрылый летательный аппарат, у которого необходимые для полёта подъёмная сила и тяга создаются одним или несколькими несущими винтами (пропеллерами) с приводом от двигателя или нескольких двигателей.
Этимология
Вертолёт в современном понимании этого слова до войны носил название «геликоптер». Это слово было заимствовано из французского языка (фр. hélicoptère) уже в конце XIX века[1]. Во французском языке, в свою очередь, слово создано из корней греческого языка (др.-греч. ἕλιξ, родительный падеж ἕλικος «спираль, винт» и πτερόν «крыло»).
Слово «вертолёт» появилось в 1929 году, когда было применено Н. И. Камовым к автожиру КАСКР-1[источник не указан 666 дней], который, однако, не был вертолётом в современном смысле слова. В том же значении фиксируется в словаре Ушакова: «вертолёт, а м. (нов. авиац.). То же, что автожир»[2]. По всей видимости, слово «вертолёт» было создано по подобию французского «gyroplane» (имеющего то же значение и существующего с 1907 года) так же, как по аналогии с «aéroplane» (тогда ещё бытовавшему во французском языке), был придуман «самолёт». То есть, первый элемент «верт-» (от слова «вертеть») соответствует французскому «gyro-», восходящему кдр.-греч. γῦρος.
Не представляется верным утверждение Л. А. Введенской и Н. П. Колесникова, что, «когда изобрели летательный аппарат, которому не нужен разбег перед взлётом, поскольку он способен вертикально подняться и полететь с любой площадки, то для его наименования создали слово вертолёт (вертикально + лететь)»[3], тем более, что КАСКР-1, являющийся автожиром, не мог подниматься вертикально.
В 1948 году А. А. Жабров издал книгу под названием «Самолёт, планер, автожир, геликоптер», но в последующие годы слово «вертолёт» изменило своё значение, стало обозначать не«автожир», а «геликоптер», и в современном языке совершенно вытеснило прежнее название.
Существует версия происхождения слова «вертолёт» от названия компании-производителя вертолётов «Vertol» (название, в свою очередь, произошло от сокращения термина «Vertical Take-off and Landing aircraft» — «воздушное судно вертикального взлёта и посадки»). В 1959 году советская делегация, в состав которой входил и разработчик первых советских серийных вертолётов М. Л. Миль, приобрела в США образцы американских вертолётов Sikorsky S-58 и Vertol V-44.[4] Именно с этого времени слово «вертолёт» в русском языке окончательно вытеснило термин «геликоптер» для обозначения этих аппаратов.
Основные принципы
Самолёт способен летать благодаря повышенному давлению воздуха под крылом и пониженному давлению над крылом, возникающем при движении крыла относительно воздуха. Вертолёт использует тот же принцип, но роль крыльев у него играют лопасти несущего винта.
Вращение несущего винта создаёт подъёмную силу, но оно же создаёт вращательный (реактивный) момент, стремящийся закрутить фюзеляж вертолёта в обратном направлении. Чтобы компенсировать реактивный момент, обычно используется дополнительный вертикальный рулевой винт (схема с рулевым винтом). Если рулевой винт выполнен в виде вентилятора, встоенного в вертикальное хвостовое оперение, то его называютфенестроном.
Почти всегда несущий винт вертолёта оснащён автоматом перекоса, который обеспечивает смещение центра давления винта для управления полётом (исключение некоторые схемы с тремя и более несущими винтами). В случае единственного приводного несущего винта обязательным является устройство для гашения его вращающего момента (чаще всего рулевой винт или фенестрон, реже струйное устройство и др.), а в многовинтовых схемах вращающий момент обычно компенсируется противовращением несущих винтов. В случае если винт приводится во вращение реактивными двигателями, закреплёнными на самих лопастях, вращающий момент почти не заметен и легко компенсируется аэродинамическими рулями. Для разгрузки несущего винта на большой скорости вертолёт может оснащаться достаточно развитым крылом, для увеличения путевой устойчивости может также применяться и оперение.
Другим вариантом компенсации реактивного момента является два несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях на одной оси (соосная схема). Второй винт называется аэродинамически симметричным соосным несущим винтом (этот вариант использован, например, в российском Ка-50). Вертолёты такой схемы обладают меньшей эффективностью, по сравнению с одновинтовыми схемами, за счёт интерференциивинтов. Это обусловило применение таких вертолётов в условиях стесненного пространства, например, для палубной авиации. Также отсутствие смешающего реактивного момента даёт преимущество в режиме длительного зависания (что немаловажно для вертолётов противолодочной обороны — на пилота ложится значительно меньшая нагрузка при длительном удержании машины в нужной точке).
Но у соосной схемы есть неустранимый конструктивный порок — повышенная вероятность схлёстывания лопастей винтов при резком манёвре. Это связано с тем, что гироскопические моменты винтов разнонаправлены. Легко видеть, что при любом манёвре (например, переводе вертолёта Ка-50 из горизонтального полета в кабрирование) конус лопастей верхнего винта заваливается в правую сторону, а нижнего — в левую. При достаточно резком манёвре лопасти перехлестываются.
Очень интересны вертолёты, которые для компенсации реактивного момента используют эффект Коанды (эффект Коанды состоит в том, что струя жидкости или газа «прилипает» к обтекаемой твёрдой поверхности). Эти вертолёты обходятся вообще без дополнительных винтов (проект NOTAR). На вертолётах такой схемы часть реактивного момента компенсируется за счёт взаимодействия струи от несущего винта со струей воздуха, выпускаемой через узкую щель, проходящую по всей длине хвостовой балки, часть — за счёт реактивной тяги щелевого сопла, расположенного в конце хвостовой балки. (пример такого вертолёта — MD 500)
Когда вертолёт летит вперёд, лопасти, движущиеся вперёд, имеют бо́льшую скорость относительно воздуха, чем движущиеся назад. В результате одна из половин винта создаёт бо́льшую подъёмную силу, чем другая, и возникает дополнительный кренящий момент. Чтобы этого не происходило, используется механизм компенсации, встроенный в автомат перекоса, чтобы угол наклона лопастей в левой и правой половине винта различался. Кроме того, для снижения этого эффекта применяют дополнительные крылья — аэродинамическая схема «винтокрыл» (например, на Ми-6 и частично на Ми-24 — у этого вертолёта роль дополнительных крыльев выполняют пилоны подвесного оружия). За счет дополнительной подъёмной силы на крыльях удается разгрузить несущий винт, снизить общий шаг винта и несколько снизить интенсивность эффекта кренения, а максимальную скорость — увеличить.
Кроме того, винт создаёт вибрацию, угрожающую разрушением конструкции. Поэтому в большинстве случаев применяется активная система гашения возникающих колебаний.
Режим авторотации (свободного вращения несущего винта, подобен парашютированию) в нормальном полёте невозможен (в отличие от автожиров и винтокрылов). Посадка в режиме авторотации получается управляемой, но считается аварийным режимом: установившаяся скорость снижения у лёгких вертолётов от 5 м/с, а у тяжёлых до 30 м/с и более, — без резкого «затяжеления» винта перед столкновением с землёй такая посадка мало отличается от падения.
Максимальная скорость вертолёта ограничена ввиду недопустимости постоянного достижения скорости звука на крайних участках лопастей (общая максимальная скорость на краю лопасти равна радиусу диска вращения ротора, умноженному на обороты в секунду + скорость самого вертолёта), что привело бы к разрушению конструкции, и на данный момент составляет порядка 400 км/ч (британский Westland Lynx).
Управление
Управление по крену и тангажу на большинстве существующих вертолётов осуществляется с помощью циклического изменения угла установки лопастей (шага) несущего винта, называемого циклическим шагом с помощью автомата перекоса. При изменении циклического шага создаётся момент, наклоняющий вертолёт, в результате чего вектор тяги несущего винта отклоняется в заданном направлении. На конвертопланах управление осуществляется по-самолётному. Также возможны иные методы управления по крену и тангажу, но они не применяются на существующих вертолётах.
Управление по рысканью разнится в зависимости от аэродинамической схемы вертолёта и может быть реализовано с помощью рулевого винта (у вертолётов классической схемы), разницы общего шага винтов (у двухвинтовых вертолётов), с помощью реактивного сопла (у вертолётов со струйной системой), а также при горизонтальном движении с помощью вертикального оперения.
Для управления циклическим шагом в кабине вертолёта установлена вертикальная ручка. Её отклонение вперед/назад обеспечивает управление по тангажу, влево/вправо — по крену. Для изменения общего шага несущего ротора (соответственно, подъёмной силы вертолёта) используется отклоняемая вверх ручка «шаг-газ» под левой рукой лётчика. Управление по рысканью осуществляется педалями.
Преимущества и недостатки
Главным достоинством является способность совершать взлёт и посадку по вертикали — вертолёт может приземлиться (и взлететь) в любом месте, где есть ровная площадка размером в полтора диаметра винта.
Также их манёвренность: вертолёты способны к зависанию в воздухе и даже к полёту «задом наперёд».
Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.
Основной недостаток присущий всей винтокрылой технике — не очень высокая (ме́ньшая максимальная) скорость полёта и повышенный (по сравнению с самолётами) расход горючего(высокий удельный расход топлива и, как следствие — более высокую стоимость полёта в расчёте на пассажирокилометр или единицу массы перевозимого груза).
К недостаткам вертолётов (по сравнению с самолётами) можно отнести и сложность в управлении.
У вертолётов с реактивным приводом несущего винта резко усложняется посадка на авторотации (при отключении двигателей большое лобовое сопротивление гондол двигателей быстро тормозит несущий винт), также высокий шум и большая заметность (от факелов двигателей) и крайне высокий и неэффективный расход топлива.
Классификация