Вертолёт

Ка-50 — боевой вертолёт соосной схемы.

Многоцелевой вертолёт Ми-38 на выставке МАКС-2005.

Вертолёт — аэродинамический летательный аппарат, обладающий свойством совершать взлёт и посадку по вертикали, зависать в воздухе и перемещаться в любом направлении. Необходимые для полёта подъёмная сила и тяга создаются одним или несколькими несущими винтами (пропеллерами), которые вращаются двигателем (двигателями).

Аналогичный аппарат с безмоторными несущими винтами называется автожиром или гиропланом.

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. Во французский язык, в свою очередь, слово пришло из греческого языка (от греч. hélix, родительный падеж hélikos спираль, винт и pterón крыло).

Слово «вертолёт» появилось в 1929 году, когда было применено Н. И. Камовым к автожиру КАСКР-1, 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». 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 ко греческому «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)», 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. Именно с этого времени слово «вертолёт» в русском языке окончательно вытеснило термин «геликоптер» для обозначения этих аппаратов.

История

Известны проекты различных летательных аппаратов, не являющиеся вертолётами, начиная с летательного аппарата Леонардо да Винчи (1475 год) и далее до, например, автожира Хуана де ла Сиервы (1920 год).

Действующий физический прибор (1754)

Независимо от идеи летательного аппарата Леонардо да Винчи, труды которого были найдены много позже, М. В. Ломоносов пытался создать летательный аппарат вертикального взлёта, который обеспечивать должны были спаренные винты (на параллельных осях), однако это устройство не подразумевало пилотируемых полётов — основным предназначением данного прибора были метеорологические исследования — всяческие измерения на разных высотах (температура, давление и т. д.). Из документов можно понять, что идея эта не нашла воплощения, в то же время можно сделать вывод о том, что этот был первый настоящий прототип вертолёта. Учёному удалось только сделать физический прибор для демонстрации принципа вертикального полёта., Вот что сказано в протоколе конференции Академии Наук (1754, июля 1; перевод с латинского) и в отчёте М. В. Ломоносова о научных работах в 1754 году (1755) :

«Прототип» М. В. Ломоносова. 1754

№ 4...Высокопочтенный советник Ломоносов показал изобретённую им машину, называемую им аэродинамической [воздухобежной], которая должна употребляться для того, чтобы с помощью крыльев, движимых горизонтально в различных направлениях силой пружины, какой обычно снабжаются часы, нажимать воздух [отбрасывать его вниз], отчего машина будет подниматься в верхние слои воздуха, с той целью, чтобы можно было обследовать условия [состояние] верхнего воздуха посредством метеорологических машин [приборов], присоединённых к этой аэродинамической машине. Машина подвешивалась на шнуре, протянутом по двум блокам, и удерживалась в равновесии грузиками, подвешенными с противоположного конца. Как только пружина заводилась, [машина] поднималась в высоту и потом обещала достижение желаемого действия. Но это действие, по суждению изобретателя, ещё более увеличится, если будет увеличена сила пружины и если увеличить расстояние между той и другой парой крыльев, а коробка, в которой заложена пружина,. будет сделана для уменьшения веса из дерева. Об этом он [изобретатель] обещал позаботиться... / № 5 ...Делал опыт машины, которая бы, поднимаясь кверху сама, могла поднять с собою маленький термометр, дабы узнать градус теплоты на вышине, которая хотя с лишком на два золотника облегчилась, однако к желаемому концу не приведена.

Проект д’Амекура (ок.1860)

В 1853—1860 годах во Франции Понтон д’Амекур разработал проект летательной машины — «аэронефа». Аэронеф должен был подниматься вверх с помощью двух винтов, насаженных на одну вертикальную ось и вращающихся в противоположные стороны.

Вертикальный полёт (29 сентября 1907)

Первый в истории вертикальный полет состоялся 24 августа (по другим источникам, 29 сентября) 1907 года и продолжался одну минуту. Вертолёт, построенный братьями Луи и Жаком Бреге (Louis & Jacques Bréguet) под руководством профессора Шарля Рише (Charles Richet), поднялся в воздух на 50 см. Аппарат имел массу 578 кг и был оснащён двигателем Antoinette мощностью 45 л.с. Gyroplane имел 4 несущих винта диаметром 8,1 м, каждый винт состоял из восьми лопастей, попарно соединённых в виде четырёх вращающихся бипланных крыльев. Суммарная тяга всех винтов составляла 560—600 кг. Максимальная высота полёта на режиме висения — 1,525 м была достигнута 29 сентября. Также существуют данные о том, что в 1905 году француз М. Леже создал аппарат с двумя противоположно вращающимися винтами, который мог на некоторое время отрываться от земли.

Первый лётчик (13 ноября 1907)

Первым человеком, поднявшимся в воздух на вертолёте, был французский производитель велосипедов Поль Корню (Paul Cornu). 13 ноября 1907 он построил вертолёт, поднявший его вертикально в воздух на высоту 50 см и провисевший в воздухе 20 секунд. Основное достижение Корню состояло в попытке сделать вертолёт управляемым (нельзя сказать, правда, что эта попытка увенчалась полным успехом), для чего изобретатель установил под винтами специальные поверхности, которые, отражая поток воздуха от винтов, давали аппарату определённый запас манёвренности. Но и этот вертолёт был плохо управляемым.

Схема с автоматом перекоса (1911)

До изобретения автомата перекоса ни о каком управляемом полёте на вертолёте не могло быть и речи. 18 мая 1911 года выдающийся инженер Б. Н. Юрьев опубликовал «схему одновинтового вертолёта с рулевым винтом и автоматом перекоса лопастей» [1]. До настоящего времени этот механизм используется на большинстве вертолётов. В 1912 году Юрьев построил первую модель одновинтового вертолёта с рулевым винтом. Однако, из-за отсутствия денег он не смог запатентовать свои изобретения и продолжить разработки.

Устойчиво управляемый полёт (1922)

В 1922 году профессор Георгий Ботезат, эмигрировавший после революции из России в США построил по заказу армии США первый устойчиво управляемый вертолёт, который смог подняться в воздух с грузом на высоту 5 м и находиться в полёте несколько минут.

Рекорды

• 24 апреля 1924 года П. Пескара установил первый мировой рекорд дальности полёта на вертолёте — 736 м.
• 4 мая 1924 году французский инженер Эмиль Эмишен пролетел на своём вертолёте 1100 м по замкнутому треугольному маршруту. Полёт продолжался 7 мин 40 с.
• В 1930 году итальянская машина конструкции д’Асканио пролетела 1078 м, став первым вертолётом, преодолевшим расстояние свыше 1 км.
• 14 августа 1932 года А. М. Черёмухин установил на первом советском вертолёте ЦАГИ 1-ЭА неофициальный мировой рекорд высоты полёта — 605 м.
• 21 декабря 1935 года вертолёт соосной схемы Gyroplane конструкции Луи Бреге и Рене Дорана впервые развил скорость 100 км/ч.
• 4 марта 1940 года Правительство СССР издало Постановление о создании нового вертолёта, к разработке которого приступило ОКБ-3 МАИ под руководством И. П. Братухина. 27 июля 1940 года был утверждён эскизный проект вертолёта, получившего обозначение 2МГ «Омега» (двухмоторный геликоптер поперечной схемы).
• В 1942 году немецкий вертолёт Flettner Fl-282 Kolibri (с перекрещивающимися осями несущих винтов, или синхроптер) взлетел с крейсера «Кёльн», став первым вертолётом палубной авиации.
• 14 января 1942 года состоялся первый полёт вертолёта R-4 фирмы Sikorsky . Двухместный R-4, созданный на базе VS-300, стал первым в мире серийным вертолётом.
• В декабре 1942 года первый экземпляр маленького одноместного вертолёта Bell-30 конструкции Артура Янга оторвался от земли (испытания проводились на привязи). С этого вертолёта, собственно, и началась история фирмы Bell.
• Весной 1943 года совершил первый полёт WNF-342 Фридриха Доблхофа — первый в мире реактивный вертолёт.
• В июле 1945 года на армейском вертолёте R-6A был совершен беспосадочный перелёт протяженностью 690 км (2 марта 1944 года на таком же вертолёте были установлены неофициальные рекорды дальности полета по прямой — 623 км и продолжительности полёта — 4 ч 55 мин).
• 26 мая 2005 вертолёт под управлением французского пилота Дидье Дельсаля достиг высшей точки Земли — горы Эверест.

Россия (1908)

Игорь Сикорский построил в России два вертолёта— в 1908 и 1909 годах. Вертолёт поднимался в воздух, но был недостаточно силён, чтобы поднять пилота. Поэтому Сикорский охладел к вертолёту и занялся конструированием аэроплана. Сикорский вернулся к вертолётам только в 1938 году, пытаясь сохранить свою компанию на плаву. Первый более-менее завершённый летающий образец вертолёта Сикорского VS-300 (S-46) появился в 1939 году.

СССР

«Геликоптерная группа» (1926)

В 1926 году в России в ЦАГИ была сформирована «геликоптерная группа», которую возглавил А. М. Черёмухин. Результатом работы этой группы стал первый управляемый вертолёт ЦАГИ-1ЭА, совершивший свой первый полёт в сентябре 1930 года. Силовая установка ЦАГИ-1ЭА включала два РПД М-2 по 120 л. с. каждый. Взлётная масса — 1145 кг. Полёт прошёл на высоте 10—12 м над землей. Позднее на этом аппарате были достигнуты мировые рекорды: высота полёта — 605 м (в 5 раз больше, чем ранее), продолжительность — 14 минут, максимальная дальность — 3 км, скорость полёта — 21 км/ч. Для первых лётных испытаний было предложено прикрепить вертолёт к горизонтальному тросу, чтобы не дать вертолёту взлететь на высоту более нескольких метров и исключить опасность крушения в случае падения его с высоты.

Первый серийный (1952)

Первый серийный советский вертолёт — Ми-1 ОКБ под руководством М. Л. Миля. В 1948 году лётчик-испытатель М. К. Байкалов совершил на Ми-1 первый полёт с поступательной скоростью. В 1950 году были завершены государственные испытания, вертолёт пошёл в серийное производство. Ми-1 начал выпускаться с 1952 года на Казанском вертолётном заводе, что положило начало крупносерийному производству вертолётов в нашей стране. В мае 1954 года вертолёт был введён в эксплуатацию в Гражданской авиации. 8 января 1956 года Ми-1 совершил свой первый полёт в Антарктиде.

Основные принципы

Ми-8 — многоцелевой вертолёт

Ми-10К — вертолёт-кран

Самолёт способен летать благодаря специальной изогнутой форме крыла, которое движется в потоке набегающего воздуха. Подъёмная сила создаётся за счёт того, что путь, проходимый воздухом над крылом, больше пути потока воздуха под крылом, и, соответственно, скорость верхнего потока выше. Согласно закону Бернулли, на крыло начинает действовать сила, направленная в сторону потока с большей скоростью. Вертолёт использует тот же принцип, но роль крыльев у него играют лопасти несущего винта.

Вращение несущего винта создаёт подъёмную силу, но оно же создаёт силу отдачи, стремящуюся закрутить вертолёт в обратном направлении. Чтобы компенсировать вращательный момент, обычно используется дополнительный маленький вертикальный рулевой винт. Если этот винт встроен в хвостовое оперение, то его называют фенестроном.

Другим вариантом является два больших несущих винта, вращающихся в противоположных направлениях на одной оси. Второй винт называется аэродинамически симметричным соосным несущим винтом. Этот вариант использован, например, в российском Ка-50. Вертолёты такой схемы показывают более высокую тяговооружённость, однако в случае недостаточной продуманности конструкции, могут обладать повышенной вероятностью схлёстывания лопастей винтов при резком боковом манёвре.

Есть ещё вертолёты, которые используют эффект Коанды (прилипание струи жидкости или газа к твёрдой поверхности), чтобы компенсировать вращательный момент без дополнительных винтов.

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.

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 вертолёт кренится на бок. Чтобы этого не происходило, используется механизм компенсации, встроенный в автомат перекоса, чтобы угол наклона лопастей в левой и правой половине винта различался.

Кроме того, винт создаёт вибрацию, угрожающую разрушением конструкции. Поэтому в большинстве случаев применяется активная система гашения возникающих колебаний.

Преимущества и недостатки

Главным достоинством вертолётов является их манёвренность: вертолёты способны к вертикальному взлёту, вертикальной посадке, зависанию в воздухе и даже к полёту «задом наперёд». Вертолёт может приземлиться (и взлететь) в любом месте, где есть ровная площадка размером в полтора диаметра винта. Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.

К недостаткам вертолётов по сравнению с самолётами можно отнести меньшую максимальную скорость, сложность в управлении, высокий удельный расход топлива и, как следствие, более высокую стоимость полёта в расчёте на пассажирокилометр или единицу массы перевозимого груза.

Транспортный вертолёт Ми-26 — самый большой из ныне действующих.

Применение

Вертолёты применяются:

• в вооружённых силах (переброска войск, боеприпасов и обеспечения, контроль над операцией, связь, разведка, корректировка артиллерийского огня, поиск и уничтожение наземных и воздушных целей, подводных лодок; высадка десанта, охрана границ);
• в полицейских операциях и операциях спецназа;
• в спасательных работах;
• при тушении пожаров;
• в медицине (срочная доставка пострадавшего в больницу);
• в коммерческих перевозках (срочная доставка грузов);
• для съёмок с воздуха;
• для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур;
• как вид общественного транспорта (проекты — в 1960-е годы в СССР);
• при строительных работах (в случае строительства сооружений значительной высоты — колоколен, вышек, небоскребов; в труднодоступных горных условиях; при недостатке места для строительства с помощью наземных средств)

Классификация вертолётов

Ми-12 — двухвинтовой вертолёт поперечной схемы

Як-24 — двухвинтовой вертолёт продольной схемы

Конвертоплан V-22 Osprey

Вертолёты обычно разделяют по аэродинамической схеме, по грузоподъёмности, по назначению. По аэродинамической схеме:

• Одновинтовые с рулевым винтом. Для компенсации реактивного момента используется рулевой винт, создающий тягу в направлении вращения НВ. Традиционно эту схему называют «классической схемой». По этой схеме построено большинство существующих вертолётов;
• Одновинтовые со струйной системой управления. Для компенсации реактивного момента используется система управления погранслоем на хвостовой балке и реактивное сопло на конце. На Западе известна как NOTAR, англ.  No Tail Rotor — «без хвостового винта», что несколько некорректно ввиду наличия множества схем, подпадающих под это определение. Пример: MD 520N; MD 900 Explorer.
• Одновинтовые с реактивным принципом вращения лопастей. Также именуются реактивными вертолётами. Двигатели расположены на лопастях и на вал несущего винта не передается сильных моментов, как в случае расположения двигателей в фюзеляже. Такая схема исключает наличие реактивного момента от несущего винта . Существуют различные варианты этой схемы: с установкой прямоточных воздушно-реактивных двигателей на законцовках лопастей (собственно реактивный вертолёт), либо с соплами на законцовках лопастей и подачей горячего выхлопа на них от расположенного в фюзеляже газотурбинного двигателя («привод горячего цикла»), либо компрессорный привод «холодного цикла»: газотурбинный двигатель в корпусе вертолёта приводит компрессор, а сжатый воздух от него подводится через трубопроводы к соплам на законцовках лопастей. Было построено несколько экспериментальных машин с реактивным приводом. Пример: вертолёт ОКБ Миля В-7, Hiller YH-32 Hornet.

Только привод компрессорного типа использовался на серийно строившемся вертолёте. Пример: Sud-Ouest SO.1221 «Djinn».

• Двухвинтовые продольной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счёт наличия двух одинаковых винтов, вращающихся в противоположные стороны и расположенных в передней и задней частях фюзеляжа. Данную схему называют также "летающий вагон". Пример: CH-47 Chinook, Як-24.
• Двухвинтовые поперечной схемы. Аналогична предыдущей, но винты расположены на фермах либо крыльях по бокам фюзеляжа. Пример: В-12 (самый крупный из когда-либо взлетавших вертолётов).
• Двухвинтовые соосной схемы. Компенсация реактивного момента происходит за счёт наличия двух одинаковых винтов вращающихся в противоположные стороны и расположенных на одной оси. Пример: Большинство вертолётов УВЗ им. Камова.
• Двухвинтовые с перекрещивающимися плоскостями роторов. Также именуются синхроптерами. Оси вращающихся в противоположные стороны роторов наклонены по отношению друг к другу, плоскости вращения роторов пересекаются, для исключения столкновения лопастей вращение их синхронизировано. Пример: Kaman HH-43 Huskie.
• Многовинтовые (вертолётные платформы). Компенсация происходит за счёт наличия равного количества противоположно вращающихся винтов.
• Винтокрылы. Эта схема отличается от вышеперечисленных тем, что для создания пропульсивной тяги используется тянущий/толкающий винт или реактивный двигатель. Тут название «винтокрыл» означает, что при горизонтальном полёте винт используется как крыло (не создаёт пропульсивную силу). Пример: Ка-22, Fairey Rotodyne.
• Конвертопланы. Эта схема переходного летательного аппарата, который взлетает как вертолёт с помощью винта, а в горизонтальном полете летит как самолёт, используя винты как пропеллеры. Конвертопланы разделяются на аппараты
  • с поворотной винтомоторной группой (тилтротор) — крыло неподвижно, поворачивается двигатель (если он расположен на крыле) с винтом (Пример: V-22 Osprey);
  • с поворотным крылом (тилтвинг) — поворачивается крыло вместе с расположенной на нём винтомоторной группой;
  • вертикальные — элементы конструкции не поворачиваются, но аппарат стоит «на хвосте» (Heinkel Lerche II, Wespe — не построены по причине поражения Германии во Второй мировой войне). Последний тип, однако, скорее можно отнести к самолётам вертикального взлёта и посадки с кольцевым крылом.

По грузоподъемности:

• лёгкие — регламентируются авиационными правилами АП-27;
• средние — регламентируются авиационными правилами АП-29;
• тяжёлые.

По назначению:

• Многоцелевые — большинство вертолётов на данный момент подпадают под эту категорию. Это делается из экономических соображений;
• Пассажирские/административные — предназначены для перевозки пассажиров на небольшие расстояния (например, аэротакси);
• Транспортные — предназначены для перевозки различных грузов в грузовой кабине и на внешней подвеске;
• Вертолёты-краны — предназначены для монтирования конструкций в недоступных горных районах и высотных зданиях;
• Разведывательные — предназначены для проведения различного рода разведывательных операций, как правило являются барражирующими;
• Боевые — предназначенные для проведения военных операций, имеют свою классификацию.

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.

Техника безопасности

Во время полёта корпус вертолёта накапливает значительное количество статического электричества. Поэтому смертельно опасно прикасаться к корпусу вертолёта после посадки до тех пор, пока он не будет заземлён при помощи специальных устройств.

См. также

• История авиации
• Автожир
• Авторотация
• Винтокрыл
• Турболёт
• Вертолётоносец
• Радиоуправляемая модель вертолёта
• Симулятор вертолётов
• Список вертолётов

Ссылки

• Вертолёты мира. Фото, описание, форум
• Аэродинамика вертолётов (англ.) — подробное описание явлений, связанных с полётом вертолёта. Обсуждение без формул, с картинками.
• Вадим Михеев. На небо под винтом
• Военные вертолёты
• Вертолёт. Техника безопасности.