Як працює вертоліт?

1. Як вертоліт залишається в повітрі?
2. Ключові частини вертольота
3. Двигуни
4. Головний ротор
5. Хвостовий ротор
6. Як вертоліт нависає і керує?
7. Зависання
8. Рульове управління
9. Переваги і недоліки вертольотів
10. Коротка історія вертольотів

Наши партнеры ArtmMisto

від Кріс Вудфорд . Останнє оновлення: 24 червня 2018 року.

Немає злітно-посадкової смуги, немає проблем - мати вертоліт, буде подорожувати! Ігор Сікорський (1889–1972), батько сучасного чопера, не мав жодних сумнівів про блиск цього дивовижного літаючого апарату, який, на його думку, був найбільш близьким до «виконання древніх мрій людства про літаючого коня і магії». килим. " Реактивні літаки чудові для того, щоб кричати нас з однієї сторони планети на іншу. Але коли справа доходить до складних місій порятунку - вищипування висаджених моряків з моря, закидання ванн води на лісові пожежі, зривання інженерів з вітрових турбін, розбивання критично постраждалих в лікарні — ніщо не б'є чоппер. За даними істориків науки, винахідники намагалися розробити літальні апарати з обертовими роторами протягом 2000 років, перш ніж Сікорський нарешті побудував перший у світі практичний вертоліт у 1939 році. Тому що вертольоти - це неймовірно складні машини - чудеса хитромудрої інженерії, що вимагають реальної майстерності. Як саме вони працюють? Давайте ближче подивимося!

Фото: Найбільший вертоліт ВМС США: супер-жеребець CH53-E Sikorsky. Більш нова версія, CH-53K, в даний час знаходиться в стадії розробки, і очікується, що вона коштуватиме близько 100 мільйонів доларів на вертоліт! Картина Джошуа Адам Нуццо люб'язно ВМС США .

Як вертоліт залишається в повітрі?

Наука про вертоліт точно так само, як і наука про літака : вона працює, генеруючи підйом, що висуває вгору силу, яка долає свою вагу і підмітає її в повітря. Літаки роблять підйом з аеродинамічними крилами (крила, які мають вигнутий поперечний переріз). Коли вони стріляють вперед, їхні крила змінюють тиск і напрямок повітря, що насувається, примушуючи його за собою і підсилюючи їх в небо: двигунів швидкість його вперед, в той час, як його крила кидають це. Велика проблема з літаком полягає в тому, що багато повітря має перегони по своїх крилах, щоб створити достатньо ліфтів; це означає, що вона потребує великих крил, вона повинна літати швидко, і вона потребує довгої злітно-посадкової смуги для зльоту і посадки.

Фото: Могутні ротори: Ви можете бачити, наскільки великі і важкі ротори вертольота на цій картині. Вона займає чотири американських морських піхотинців для того, щоб утримувати цей ротор на місці, коли він повторно приєднаний після технічного обслуговування. Зверніть увагу на вигнутий передній край лопаті ротора, який вирізається, як аеродинамічний профіль, коли він обертається навколо. Фото Джеремі Л. Грішам надано люб'язно ВМС США .

Вертольоти також роблять повітряний рух над аеродинамічними покриттями для створення підйому, але замість того, щоб мати свої аеродинамічні крила в одному фіксованому крилі, вони мають вбудовані в їх роторні лопаті, які обертаються на високій швидкості (приблизно 500 об / хв, обертів в хвилину). Ротори, як тонкі крила, "біжать" на місці, генеруючи масовий потік повітря, який видуває вертоліт вгору. З умілим пілотуванням, вертоліт може злетіти або приземлитися по вертикалі, зависати або крутитися на місці, або дрейфувати м'яко в будь-якому напрямку - і ви не можете робити цього ні в звичайному літаку.

Ключові частини вертольота

Типовий вертоліт має тисячі складних компонентів, але ми повинні тільки турбуватися про кілька більших біт. Основні рамки називаються фюзеляжем і зазвичай виготовляються з міцного, але відносно легкого вантажу композиційні матеріали . Він містить один або два двигуни, коробку передач і коробки передач, які забезпечують потужність одного або двох головних роторів і набагато меншого гвинтового ротора на задній стінці.

Художня робота: Короткий огляд основних, механічних частин вертольота. Кожна лопатка ротора (1) з'єднана з маточиною (2) і обертається щоглою шарніром (3), що дозволяє повертатися. Ланцюг кроку (короткий стрижень), прикріплений до кожної лопаті (4, помаранчевий), може нахиляти його до більш крутого або меншого кута відповідно до положення обертової верхньої пластини (5, синій), яка обертається на підшипниках навколо статичного нижнього плита перекриття (6, червоний). Ось як вертоліт летить і рулить, і це більш докладно описано далі в цій статті. Дві плити з поворотом переміщуються вгору і вниз або нахиляються вбік циклічними і колективними елементами управління пілота (не показані), які пояснюються нижче. Ротор живиться від карданного валу (7), підключеного до трансмісії та коробки передач (8, червоний). Одна і та ж передача передає другий, більш довгий карданний вал (9, жовтий), підключений до коробки передач, яка обертає хвостовий ротор (10, помаранчевий). Потужність обох роторів надходить з одного або двох турбовальних реактивних двигунів (11).

Двигуни

Фото: Двигун вертольота: Подивіться під ротор цього вертольота Seahawk. Довга сіра трубка між двома наборами чисел ("69") є реактивним двигуном турбовального валу. Там другий двигун точно такий же з іншого боку. Фото Trevor Kohlrus надано люб'язно ВМС США .

Хоча деякі невеликі вертольоти досі використовують поршневі двигуни (які також називаються зворотно-поступальними двигунами, подібними до тих, що використовуються в автомобілях і вантажних автомобілях), більшість зараз використовує газові турбіни більше, як реактивні двигуни на звичайних літаках. Турбінні двигуни в роботі більш плавні (вібрують значно менше), більш потужні, менш механічно складні і надійніші. Деякі вертольоти мають один двигун, встановлений горизонтально, знизу і відразу за ротором; Найбільш малі вертольоти Bell, наприклад, працюють так. Інші мають один двигун, встановлений на будь-якій стороні роторної щогли; Військові вертольоти Seahawk і Apache працюють таким чином. Більшість сучасних чопперів мають турбоважні двигуни, які подібні до звичайних реактивних двигунів на літаках. Але, замість того щоб squirting гаряча струмінь вихлопного газу що thrusts їх передній, вони використовують енергію з гарячого газу до спина центральна турбіна та driveshaft що повноваження передача (механізм що дозволяє двигуну до потужності rotors). Наша основна стаття про реактивні двигуни розповість вам більше про роботу турбореактивних двигунів.

Головний ротор

Величезний спінінговий ротор є найпомітнішою особливістю будь-якого вертольота, але жоден вертоліт не може потрапити лише з одним ротором. Чому? Називається основний принцип фізики Третій закон руху Ньютона говорить нам, що коли сила (яка називається дією) змушує щось рухатися, інша сила, так само велика (називається реакцією), робить щось інше рух у зворотному напрямку; дія і реакція однакові, а навпаки - це інший спосіб покласти його. Коли ротор вертольота обертається навколо (дія), все тіло ремесла має тенденцію обертатися дещо повільніше в протилежному напрямку (реакція). Залишившись на власний розсуд, цей крутний момент (сила повороту) зробить гелікоптер повністю неконтрольованим, тому ми повинні протидіяти їй певним чином з тим, що називається контр-крутний момент (сила повороту в протилежному напрямку). Одне з рішень полягає в тому, щоб другий великий ротор обертався в іншу сторону. Іноді це монтується на тій же мачті, що і перший ротор (конструкція називається коаксіальним ротором ); інколи, як у величезних військових вертольотах Chinook, на будь-якому кінці судна є великий ротор (конструкція називається тандемним ротором ).

Фото: тандемний ротор: Це військовий Boeing CH-47 Chinook має один ротор на фронті і один на задній частині, і вони обертаються в протилежних напрямках, щоб скасувати крутний момент один одного. Фото Тамари Вогн люб'язно ВМС США .

Лопатки головного ротора вертольота мають три основні види, що дозволяють збільшувати обсяг руху, коли вони обертаються: вони називаються жорсткими, напівжорсткими і повністю зчленованими. Як випливає з назви, жорсткі леза міцно прикріплені до маточини ротора ("колесо", до якого лопатки закріплені у верхній частині обертової мачти ротора) за допомогою поворотного з'єднання, що називається шарнірним шарніром (або шарніром крок ). Це дозволяє їм «перо» (поворот, коли вони обертаються, що, як ми дізнаємося в мить, це як вертоліт рулить). Напівжорсткі леза мають однаковий шарнірний шарнір, але вони також мають шарнірний шарнір (або шарнірний шарнір ), що дозволяє їм клапатися вгору і вниз. Повністю зчленовані леза можуть перекривати і клапоть, і вони також мають третій шарнір ( перетягує шарнір ), що дозволяє їм рухатися трохи попереду ("свинцю") або позаду ("відставання") свого нормального положення. Кожен з цих типів лопатей має переваги та недоліки.

Хвостовий ротор

Фото: Хвостовий ротор вертольота Seahawk. Хвостовий ротор приводиться в рух приводним валом, що відходить від основних двигунів, паралельно тілу вертольота. Якщо ви уважно подивитеся, ви побачите, що лопаті ротора можуть бути нахилені пілотом, коли вони обертаються навколо, що генерує більш-менш натискаючу силу і надає вертольоту можливість обертатися на місці, коли воно лежить. Картина Джеймсом Р. Евансом люб'язно ВМС США .

Крім додавання другого великого ротора, інший спосіб протидіяти крутному моменту від головного ротора - за допомогою невеликого, бокового вказування гвинт називається хвостовим ротором , що приводиться в дію від карданного валу від двигуна, який проходить через кінцевий борт судна. Іноді, з міркувань безпеки, хвостовий ротор побудований безпосередньо всередині хвоста (конструкція називається фенестроном або фан-хвостом). Іншою альтернативою називається NOTAR® ("без хвостового ротора"), який використовує струмінь повітря, що пропускається через вентиляційний отвір на хвостовій стороні, щоб протидіяти моменту головного ротора. Якщо вертоліт має одну лопатку головного ротора, він повинен мати хвостовий ротор, фенестрон або NOTAR або він не може безпечно літати; аналогічно, будь-яке пошкодження ротора хвоста, наприклад, удару птахами або удару ракети, робить небезпечно неконтрольованим вертоліт і, як правило, призводить до його швидкого згортання. Більшість вертольотів мають вертикальний плавник (пілон), що також допомагає протидіяти деякому крутного моменту від головного ротора.

Як вертоліт нависає і керує?

Ротори вертольота - це геніальні речі, які дозволяють їй парять у повітрі або керувати в будь-якому напрямку. Пілот має п'ять основних рухів і рульового керування: дві ручні важелі називаються колективним і циклічним кроком, дроселем і двома педалями. Більшість маневрів, які виконує пілот, включають складну взаємодію між цими різними елементами керування, тому для польоту на вертольоті потрібні такі навички та концентрація.

Зависання

Коли вони починають обертатися, аеродинамічні крила на лопатях ротора створюють підйом, який долає вагу судна, виштовхуючи його в повітря. Якщо ліфт перевищує вагу, вертоліт піднімається; якщо це менше ваги, вертоліт падає. Коли ліфт і вага рівно рівні, вертоліт летить у повітрі. Пілот може змусити лопаті ротора генерувати більше або менше підйому, використовуючи керування, яке називається колективним кроком (або "колективним"), що збільшує або зменшує кут ("тангаж"), що всі лопаті роблять на зустрічному повітрі, коли вони обертаються . Для зльоту, лопаті повинні зробити крутий кут для створення максимального підйому.

Художня робота: Як вертоліт зависає і керує: Верхній малюнок: Колективне керування кроком змінює кут (або крок) кожного з лопаток ротора на одну і ту ж кількість одночасно (зелені стрілки) - іншими словами, колективно. Якщо лопаті роблять більш крутий кут, вони генерують більше підйомника, тому весь ремінь рухається прямо вгору (помаранчева стрілка). Рисунок знизу: Циклічне регулювання тангажа змінює кут виборочних лопаток ротора, оскільки вони обертаються, так (в цьому випадку) будь-яке полотно ліворуч завжди виробляє трохи більше підйому, тоді як протилежна лопатка (показана тут праворуч) завжди виробляє незначно менше ліфта. Це означає, що на лівій стороні вертольота виробляється більше ліфта, тому загальний підйом (оранжева стрілка) нахиляється вправо, керуючи цілим вертольотом у цьому напрямку.

Як це відбувається? Як ми вже бачили, головний ротор з'єднаний з маточиною у верхній частині щогли за допомогою шарніра, що дозволяє кожній лопаті повертатися, коли він обертається, так що він робить більш крутий або менший кут до зустрічного повітря. Лопатки мають короткий вертикальний стрижень ( крок ланок ), прикріплені до них, які з'єднані з обертовим металевим диском, що називається плющеной пластиною , трохи нижче по стовбуру. Ця плита ковзає на підшипниках навколо другої, подібної пластини безпосередньо під тим, що не обертається. Коли пілот рухається колективно в одну сторону, обидві пластини переміщуються вгору, висуваючись вгору по каналах, що нахиляють лопаті ротора до більш крутого кута. Пересуваючи колектив іншим способом, переміщуємо пластини для відхилення назад, потягнувши за крок ланок і нахиляючи лопаті до меншого кута.

Наприкінці колективу, є throttle прив'язаний кабелем до двигуна. Це схоже на прискорювач автомобіля або дросель мотоцикла, збільшуючи або зменшуючи швидкість двигуна, щоб ротор робив більше або менше підйому.

Рульове управління

Ротори також забезпечують рульове керування для вертольота, роблячи більше ліфта на одній стороні, ніж інші. Вони роблять це, обертаючись вперед-назад (оперення), так що, наприклад, вони роблять більш крутий кут, коли вони знаходяться на лівій стороні корабля, ніж коли вони знаходяться праворуч. Це означає, що вони генерують більше ліворуч ліворуч, нахиляючи корабель вправо і направляючи його в цьому напрямку. Пілот керує таким чином, використовуючи другий важіль, що називається циклічним кроком (також відомим як "циклічна палиця" або просто "циклічний"), подібний до джойстика, який робить лопатки поворотними, коли вони обертаються. Геніальний механізм пластини перекочує рухи пілота у відповідні рухи лопаток ротора. Припустимо, пілот хоче літати вправо. По-перше, вона пересуває циклічний праворуч, а система з'єднаних важелів робить дві нахилі пластини нахилені вправо. Це робить лопатки ротора нахиленими до крутого кута, коли вони знаходяться на лівому і неглибокому куті, коли вони знаходяться праворуч, тому ротор виробляє більше підйому на лівій стороні, керуючи судном вправо.

Artwork: Як swash плита спрямовує вертоліт. У центрі можна побачити спрощений вигляд механізму перекосу. У верхній частині роторної щогли є два диски, верхній (червоний), що обертається на кулькових підшипниках (помаранчевий) навколо нижнього (синій), який взагалі не обертається. Чотири зчіпні канали (зелений) з'єднують верхню пластину з лопатями ротора. Тепер припустимо, що ви хочете літати вправо. Ви нахиляєте цикл у цьому напрямку. Це нахиляє обидва плити плита над до право. Коли роторні лопатки обертаються, нахилі пластини примусують крок, коли вони знаходяться на лівому та нижньому кутах, коли вони знаходяться праворуч. Це робить нахил кожної лопатки ротора на більш крутий кут, коли він розташований зліва і менший кут, коли він знаходиться праворуч. Це дає більше ліворуч ліворуч, спрямовуючи вертоліт праворуч.

Пілот може також керувати носом вертольота в певному напрямку, використовуючи пару ручок для ніг, відомих як педалі для протитоків , які змінюють крок лопатей хвостового ротора, щоб вони робили більш-менш бокову тягу, ніж у звичайному прямому польоті. Це змушує весь корабель повільно обертатися за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки, тому він рухається в іншому напрямку. На тандемних вертольотах ротора, таких як Chinook, які не мають хвостового ротора, ножні педалі нахиляють передні і задні ротори на протилежних шляхах, керуючи цим судном відповідно.

Переваги і недоліки вертольотів

Фото: Альтернативи вертольоту # 1: вертикальний / короткий зліт і посадка (V / STOL) літака, як і знаменитий Harrier, показаний тут, намагаються поєднати маневреність вертольота зі швидкістю літака. Harrier може hover тому, що, несхожий традиційний реактивний двигун, це має чотири додаткових сопла на стороні що може повертатися навколо направити вихлопні гази двигуна прямо вниз. Зображення надано Staci Bitzer ВМС США .

Чоппери мають безліч переваг перед літаками. Вам не потрібна злітно-посадкова смуга, для початку або великі крила, і ви можете керувати вертольотами легше з кораблів. Від центру міста до середини джунглів можна вилетіти або приземлитися більш-менш в будь-якому місці. Ви можете зробити паузу, в середині польоту, щоб врятувати когось, забрати вантаж або викинути його лебідкою. За загальним визнанням, ви не можете літати так швидко, як швидко або на літаку, або нести якомога більше людей або вантажів, але у вас є набагато більше гнучкості, де ви можете піти.

На жаль, ця універсальність має свою ціну: вертольоти з обертовими роторами є механічно складнішими, ніж площини зі статичними крилами, більш схильними до відмов, потребують більшого обслуговування і дорогою в експлуатації. Оскільки ви можете літати на вертольоті різними способами - це фактично декілька різних літальних апаратів, які все згортаються в одне ціле - ви можете подумати, що пілотування вертольота автоматично стає складніше, ніж у літаку. Але реального порівняння немає, бо це дві абсолютно різні речі.

Фотографії: Альтернативи вертольоту №2: Белл Боїнг V-22 Osprey має величезні ротори на фронті, які можуть бути нахилені до точки вгору (як вертоліт) або вперед (як літак), поєднуючи переваги обох в одному літаку. Фотографії (зліва направо) Енді М. Кін , Оскар Еспіноза , і Захарій Л. Борден , всі люб'язно надані ВМС США.

Коротка історія вертольотів

• 400BCE: Китайська книга показує, як зробити "літаючу вершину" іграшкою вертольота, використовуючи прядильні пір'я, прикріплені до кінця палиці. Ви швидко обертаєте палицю між руками, кидаєте її в повітря, і пір'я роблять його летіти.
• 1483: італійський винахідник Леонардо да Вінчі (1452–1519) розробляє вертоліт з лопатями пропелера у формі штопор, щоб витягти його через повітря. Проте він не будує його.
• 1754: Російський інженер Михайло Ломоносов (1711–1765) будує невелику робочу модель, що показує, як зубчастий механізм може управляти парою коаксіальних, протилежних обертових лопаток.
• 1796: британський піонер літака сер Джордж Кейлі (1773–1857) будує пружинно-пружні моделі вертольотів, що летять на вражаючі висоти (десятки метрів). Пізніше, в 1843 році, він накреслює плани повномасштабного вертольота з двома роторами, але парові двигуни доступні на той час занадто важкі для його живлення.
• 1880-і: американський геній винахідника Томаса Едісона (1847–1931) експериментував з типовими вертольотами, включаючи деякі з них електрика його улюбленим джерелом влади.
• 1901: Ігор Сікорський Російський авіабудівельник (1889–1972) будує собі робочу модель вертольота на гумці. Це початок одержимості життя вертольотами, які змінять світ.
• 1904: Француз Чарльз Ріше (1850–1935) будує невеликий вертоліт, але не має пілота.
• 1907 р. Француз Луї Бреге (1880–1955), учень Чарльза Ріше, і його брат будують вертоліт квадротора ( Гіроплан Бреге-Ріше ) з ротором на кожному куті. Він може літати приблизно за метр від землі за хвилину або близько того за один раз. Пізніше того ж року інший француз, Пол Корну (1881-1944), будує невеликий вертоліт, який може піднятися приблизно на 20 секунд.
• 1916: Австрійський аеродинамічний геній Теодор фон Карман (1881–1963) допомагає розробити вертоліт Петрочи, Карман і Журовець-1 (PKZ-1), керований електричний двигун , що виявляється достатньо потужним, щоб підняти трьох чоловіків.
• 1920: іспанець Хуан де ла Сіерва (1895–1936) винайшов автожир, маленький літаючий літак з ротором на вершині.
• 1931: Після багатьох років експериментів Ігор Сікорський розробляє і патентує практичний, робочий вертоліт. Він, нарешті, будує і летить версію його VS-300 , в 1939 році.
• 1942: Сикорський R-4 стає першим у світі масовим вертольотом.
• 1945: Франк Пясецький (1919–2008) піонери революційного тандем-роторного вертольота. Його оригінальна версія отримала прізвисько "Літаючий банан" і в кінцевому підсумку еволюціонує в Чинук.
• 1946: Bell Aircraft представляє модель 47, розроблену компанією Артур Янг (1905–1995), перший у світі комерційно успішний вертоліт.
• 1950–1953: Вертольоти демонструють свій справжній військовий потенціал вперше під час Корейської війни.
• 1951: Чарльз Каман будує K-225 Перший газотурбінний двигун. Через три роки він будує перший дво турбінний вертоліт, HTK-1, для ВМС США.
• 1961: швидкий тандемний ротор Boeing CH-47 Chinook вертоліт робить свій перший політ (вступає у виробництво наступного року). Він може управляти навантаженнями до 10 тонн.
• 1964: Француз Пол Фабр з Sud Aviation розробляє фенестронів.
• 1967: Два вертольотів Sikorsky S-61R роблять перший безперервний, трансатлантичний рейс з Нью-Йорка до Парижа, Франція за 30 годин 46 хвилин.
• 1981: NOTAR® (без хвостового ротора) тестується вперше на вертольоті Hughes OH-6A.
• 1988: Bell-Boeing починає виробництво свого V-22 Osprey, літака з нахилом ротора, який може вилетіти як вертоліт, але літати як літак.
• 1989: McDonald Douglas 520N, перший серійний вертоліт NOTAR®, здійснив свій перший політ 28 грудня 1989 року.