Несущий винт

Несущий винт вертолета Ми-2

Несущий (основной) винт в воздушный винт с вертикальной осью вращения, обеспечивающий подъёмную силу летательному аппарату (как правило, вертолётам), позволяющий выполнять управляемый горизонтальный полёт и совершать посадку. Основная функция такого винта в «нести» летательный аппарат, что и отражено в названии.

Кроме вертолётов, несущие винты имеются у автожиров, винтокрылов, конвертопланов и у летающих платформ.

Описание

Несущий винт вертолёта в общих чертах состоит из лопастей, втулки и шарниров.

Система управления несущим винтом состоит из автомата перекоса, соединенного с осевыми шарнирами лопастей несущего винта при помощи тяг (элементов, передающих поступательное движение). Поворот лопасти в осевом шарнире вызывает изменение угла установки лопасти.

Угол установки лопасти

Углом установки лопасти называется угол между хордой лопасти и направлением вращения винта. Чем больше этот угол, тем большую подъёмную силу обеспечивает лопасть несущего винта.

Перемещение тарелки автомата перекоса вверх/вниз вдоль вала несущего винта приводит к одновременному изменению углов установки всех лопастей, тем самым регулируется мощность винта и, соответственно, высота висения(полета) летательного аппарата. Данное изменение называется общим шагом винта.
Наклон тарелки автомата перекоса относительно корпуса летательного аппарата называется циклическим шагом и позволяет управлять аппаратом в продольно-поперечной плоскости (тангаж-крен).

Частота вращения несущего винта, как правило, постоянна, а изменение нагрузки на винте автоматически компенсируется соответствующим изменением мощности двигателей.

Существуют системы управления, в которых отсутствуют осевые шарниры лопастей. Например, в моделях радиоуправляемых вертолетов изменяется наклон вращения всего винта, а не отдельных лопастей. В вариантах несущих винтов с сервозакрылками (синхроптеры фирмы Kaman Aircraft) изменяется угол установки закрылков, расположенных на задней кромке лопастей.

Участки лопасти, расположенные ближе к оси вращения и, соответственно, описывающие окружности меньшего радиуса, имеют меньшую линейную скорость относительно воздуха и создают пропорционально меньшую подъёмную силу. Для уменьшения этого эффекта лопасть закручивают таким образом, что её угол установки плавно увеличивается по мере приближения к оси вращения, что позволяет участкам с меньшим радиусом вращения обеспечивать большую подъёмную силу. Крутка лопастей (разница между углом установки участков в корне и на конце лопасти) может составлять 6-12°.

Соединение лопастей с валом может быть шарнирным, жёстким, полужёстким и упругим. При шарнирном и упругом соединении плоскость вращения несущего винта не может быть отклонена относительно фюзеляжа вертолёта, в отличие от полужёсткого соединения.

Несущий винт может иметь от двух до восьми лопастей. Лопасти могут быть деревянными, цельнометаллическими и композитными (стеклопластиковыми). Композитные лопасти по сравнению с цельнометаллическими менее трудоёмки в изготовлении, обладают значительно большими ресурсом, надёжностью и коррозионной стойкостью.

Нередко лопасти выполняют пустотелыми и закачивают внутрь лопасти газ или воздух под давлением. Падение давления внутри лопасти, измеряемое специальным датчиком, сигнализирует её повреждении.

Для уменьшения габаритов вертолёта на стоянке или при базировании в ангарах, на авианесущих кораблях и вертолётоносцах применяются складываемые несущие винты. Складывание может осуществляться вручную или автоматически.

Для снижения уровня вибрации, передаваемой от несущего винта на фюзеляж, на его втулке или лопастях устанавливаются маятниковые виброгасители. Для защиты от обледенения лопасти винта оборудуются противообледенительными системами.

Большинство вертолётов в мире выполнено по «классической» схеме с одним несущим винтом и рулевым винтом на хвостовой балке. Существуют вертолёты с двумя несущими соосными винтами противоположного вращения, без рулевого винта (Ка-25, Ка-27, Ка-50). Для таких машин применяется термин «соосный несущий винт», при этом различают «верхний» и «нижний» винт.

В зависимости от положения несущего винта в потоке воздуха различают два основных режима работы: режим осевого обтекания, когда ось втулки винта расположена параллельно набегающему невозмущенному потоку, и режим косого обтекания, при котором поток воздуха набегает на несущий винт под углом к оси втулки.

Существует проект фиксируемого в полете несущего винта, так называемый X-Wing, устанавливаемый на вертолете Sikorsky S-72.

Несущий винт, заключённый в кольцевой канал, называют импеллером, такая конструкция увеличивает мощность винта и уменьшает шум, однако при этом увеличивается вес несущей конструкции.

Существуют также проекты несущего винта с дисковым крылом, например «Discrotor» Фирмы Boeing или Вертолёт Эллехаммера (англ.). В проекте «Discrotor» лопасти несущего винта телескопические, во время полета лопасти могут убираться внутрь дискового крыла.

Вибрации

При вращении несущего винта возникают вибрации, которые могут вызывать преждевременный выход из строя приборов, оборудования, и даже приводить к разрушению летательного аппарата. К появлению вибрации относятся такие явления, как земной резонанс, флаттер и вихревое кольцо.

Земной резонанс

Смещение центра масс винта, вызванное поворотом лопастей в вертикальных шарнирах (1 в положение центра масс до поворота лопастей, 2 в после поворота лопастей).

Внешние видеофайлы
	Видео: Земной резонанс

Этому явлению подвержены летательные аппараты, у которых лопасти несущего винта крепятся ко втулке посредством шарнирного соединения. Центр масс лопастей нераскрученного винта находится на его оси вращения. При вращении винта лопасти могут поворачиваться в своих вертикальных шарнирах, и их общий центр масс оказывается смещённым в сторону от оси вращения, что приводит к колебаниям втулки винта в горизонтальной плоскости. При совпадении гармоник этих колебаний и собственных колебаний вертолёта, стоящего на земле на упругом шасси, возникают неконтролируемые колебания вертолёта в земной резонанс.

Земной резонанс можно подавить, введя демпфирование как в вертикальном шарнире, так и в амортизационной стойке шасси вертолета. Более благоприятные условия для создания земного резонанса создаются при пробеге вертолета по земле.

Флаттер

Флаттером называют самовозбуждающиеся колебания лопастей несущего винта, происходящие за счёт энергии воздушного потока и приводящие к быстрому нарастанию амплитуды махового движения. Флаттер особенно опасен для соосной схемы, так как из-за этого эффекта происходит перехлест лопастей. Для избежания флаттера в лопасти несущего винта устанавливается противофлаттерный груз, а на втулке маятниковые виброгасители. На вертолетах с шарнирным и упругим типом соединения лопастей признаком появления флаттера во время полёта является «размывание» конуса несущего винта.

Вихревое кольцо

Вихревое кольцо

Вихревое кольцо в критический режим полёта вертолета, развивающийся при быстром снижении с малой поступательной скоростью. Характеризуется резкой потерей высоты и ослаблением реакции вертолета на перемещение органов управления. Вертолёт резко увеличивает скорость снижения; вследствие турбулентного состояния потока в вихревом кольце возникает тряска вертолёта, ухудшается устойчивость и управляемость.

Схемы крепления лопастей

Лопасти несущего винта крепятся к втулке, свободно вращающейся вокруг вала вертолета. Существует следующие основные виды таких соединений.

Шарнирное соединение

Шарнирное соединение на Ми-8

При шарнирном соединении, изобретенном Хуаном де Ла Сьерва, лопасти крепятся к корпусу втулки последовательно через осевой, вертикальный и горизонтальный шарниры. Благодаря шарнирному сочленению лопастей с корпусом втулки значительно снижаются переменные напряжения в элементах несущего винта и уменьшаются передающиеся от винта на фюзеляж вертолёта моменты аэродинамических сил.

Горизонтальные шарниры обеспечивают возможность махового движения лопастей вверх-вниз; вертикальные позволяют лопастям совершать колебания в плоскости вращения, возникающие под действием переменных сил лобового сопротивления и сил Кориолиса, появляющихся при колебаниях лопасти относительно горизонтального шарнира; осевые шарниры предназначены для изменения углов установки лопастей.

Во время полёта на вертолетах с шарнирным соединением можно увидеть, что лопасти в воздухе описывают не круг, а фигуру в виде воронки или конуса.

Упругое (бесшарнирное) соединение

Упругое соединение на MBB Bo 105

Роль вертикального и горизонтального шарнира при таком соединении играет упругий элемент, изготовленный из композитных материалов, или торсион. Это позволяет по сравнению с шарнирным соединением уменьшить число деталей, уменьшить трудоемкость обслуживания, устранить необходимость смазывания и увеличить ресурс несущего винта в 3-10 раз. На несущем винте с таким соединением может быть значительно повышена эффективность управления по сравнению с шарнирным, что способствует увеличению манёвренности вертолёта, к тому же уменьшается явление «земного резонанса».

Полужесткое соединение

Полужесткое соединение лопастей вертолета фирмы Bell

При такой схеме две лопасти винта жестко крепятся к центральной втулке по типу качелей(коромысла): когда одна лопасть совершает маховое движение вверх, другая совершает симметричное движение вниз. Летчик, изменяя положение ручки управления вертолетом, тем самым изменяет положение всей плоскости вращения несущего винта. Вертолёт с полужесткой втулкой несущего винта обладает хорошими характеристиками управляемости. Важным преимуществом такой схемы является её простота (отсутствие высоконагруженных подшипников в шарнирах, демпферов и центробежных ограничителей свеса лопастей), облегчающая и удешевляющая изготовление винта и обслуживание его в эксплуатации. Вертолеты с полужесткой схемой серийно производят фирмы Bell и Robinson.

Жесткое соединение

Лопасти винта жестко крепятся к втулке, установленной на приводном валу, с использованием только осевого шарнира. Такая схема является самой простой, но в то же время наиболее подверженной разрушительным вибрациям. К тому же такая схема обладает повышенной массой по сравнению с шарнирным соединением. Стоит отметить, что переменные нагрузки на лопасти несущего винта в этом случае могут быть уменьшены за счет гибкости самих лопастей.

Жесткое соединение применяется в воздушных винтах самолётов и до изобретения Хуаном де Ла Сьерва шарнирного соединения использовалось на всех экспериментальных вертолетах начала 20-го века. В настоящее время такое соединение можно найти в несущих винтах вертолета Sikorsky X2.

Динамика несущего винта в полёте

Схема зон несущего винта во время полета

Распределение скоростей участков лопастей несущего винта в полете на азимутах 90° и 270°. ω в угловая скорость вращения винта, R в длина лопастей, Rω в окружная скорость конца лопасти

При поступательном движении вертолёта в горизонтальной плоскости несущий винт обтекается встречным воздушным потоком. В случае его вращения по часовой стрелке лопасть, находящаяся слева по направлению полёта, движется навстречу воздушному потоку (наступающая лопасть), а находящаяся справа в попутно ему (отступающая лопасть). Соответственно, скорость наступающей лопасти относительно набегающего воздуха выше, чем скорость отступающей, и максимальна на азимуте 90°. Поскольку сопротивление воздуха и подъёмная сила пропорциональны скорости, наступающая лопасть создаёт большую подъёмную силу и испытывает большее сопротивление.

Линейная скорость пропорциональна расстоянию от оси вращения и, соответственно, максимальна на концах лопастей. При определённых значениях угловой скорости вращения винта линейная скорость концевых участков наступающей лопасти приближается к скорости звука, в результате чего на этих участках развивается волновой кризис. Напротив, скорость ряда участков отступающей лопасти относительно воздуха настолько мала, что на них происходит срыв потока, а участки, расположенные ещё ближе ко втулке, попадают в зону обратного обтекания (профиль лопасти обтекается воздухом с острой части, что создаёт обратную подъёмную силу).

Лопасти несущего винта, попадающие в зоны срыва потока и волнового кризиса, характеризуются увеличением вибраций и резким снижением подъёмной силы. Противодействовать срыву потока можно увеличением угловой скорость вращения несущего винта, однако при этом увеличивается зона волнового кризиса. Негативное влияние зоны волнового кризиса можно уменьшить, применив специальные законцовки лопастей винта в например, стреловидные.

Поскольку наступающие лопасти создают большую подъёмную силу, чем отступающие, для сохранения баланса подъёмных сил разных участков несущего винта существует механизм компенсации. Механизм основан на применении горизонтального шарнира и осевого шарнира, жестко соединённого с автоматом перекоса. Во время полёта лопасть находится под углом к обтекаемому воздушному потоку, возникаемое сопротивление воздуха приводит к взмаху лопасти вверх. Так как осевой шарнир соединён с автоматом перекоса, то при взмахе лопасти вверх происходит поворот лопасти в сторону уменьшения угла между лопастью и воздушным потоком. Уменьшение этого угла приводит к уменьшению подъёмной силы лопасти.

И наоборот, при уменьшении скорости обтекаемого воздушного потока лопасть опускается вниз, увеличивается угол установки лопасти, увеличивается подъёмная сила.

Схемы расположения несущих винтов на летательных аппаратах

Реактивный момент, действующий на корпус вертолёта, и его компенсация

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 летательного аппарата в противоположную от вращения несущего винта сторону (на земле такому вращению препятствует шасси аппарата). Существует ряд конструктивных схем компенсации реактивного момента с использованием как единственного, так и несколькимх 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 момент не возникает, и соответственно, необходимость в его компенсация отсутствует.

Одновинтовые схемы с рулевым устройством

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.

Классическая схема с рулевым винтом

Рулевой винт SA 330 Puma

В данной схеме винт небольшого диаметра располагается на хвостовой балке вертолёта сбоку. 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.

Впервые её запатентовал на своем летательном аппарате Борис Юрьев вместе с автоматом перекоса в 1912 году. Однако первую подобную модель предложил в 1874 году немецкий конструктор Аченбах.

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, что приводит к уменьшению затрат на производство, ремонт и обслуживание.
Кроме того, выпускают вертолёты, например Ми-28, с так называемым Х-образным, четы­рехлопастным рулевом 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:

• рулевой винт отбирает часть мощности двигателя (до 10%) и вместе с тем не даёт ни подъёмной силы, ни тяги, направленной вперёд;
• воздушный поток от несущего винта ухудшает характеристики рулевого винта;
• рулевой винт является весьма уязвимым при полетах вблизи земли;
• рулевой винт, так же как и несущий, может попадать в опасный режим вихревого кольца.

Схема с рулевым винтом в кольце, фенестрон

Фенестрон

В современном вертолетостроении иногда применяют многолопастный рулевой винт в кольцевом канале киля в фенестрон (от лат. fenestra в окно). 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

Такая конструкция имеет несколько существенных преимуществ:

• уменьшается вредное сопротивление вертолета;
• предотвращаются задевание вращающимися лопастями рулевого винта за наземные предметы при маневрировании на предельно малых высотах, а также травмирование людей при работе вертолета на земле;
• высокая эффективность, чем у открытого рулевого винта при одинаковых диаметрах.

Недостатками являются:

• значительное увеличение толщины и массы киля, делающей установку фенестрона на тяжелые вертолеты нецелесообразной;
• высокочастотный шум;
• нелинейности в характеристиках путевого манёвра.

Винтокрыл

Eurocopter X3

В этой схеме используются винты, расположенные на крыльях или фермах летательного аппарата в винтокрыла. Причем тяга обоих винтов направлена вперед, а для компенсации реактивного момента в режиме висения один из винтов обеспечивает большую 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 Юрьев в 1910 году. Примером такой модели в настоящее время может служить Eurocopter X3.

Преимуществом винтокрыла можно смело считать высокие скорости полета, недостижимые для классической схемы в силу особенностей аэродинамики. Так, например, винтокрыл «Ротодайн» фирмы «Фейри» в 1959 году достиг скорости в 307,22 км/ч,, а Eurocopter X3 в 2010 году в 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 в реактивное вращение лопастей.

Струйная система управления, NOTAR

принцип работы схемы NOTAR

Для компенсации реактивного момента используется система управления пограничным слоем на хвостовой балке, применяющая эффект Коанды, и реактивное сопло на конце балки. Управляющая сила возникает по той же причине, по какой возникает подъёмная сила крыла в 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 в по поверхности хвостовой балки.

На Западе известна как NOTAR, англ. No Tail Rotor в «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.

Одновинтовые схемы с реактивным принципом вращения лопастей

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.

Опытный вертолёт В-7

Существуют различные варианты этой схемы:

• с установкой прямоточных воздушно-реактивных двигателей на законцовках лопастей;
• с соплами на законцовках лопастей и подачей горячего выхлопа на них от расположенного в фюзеляже газотурбинного двигателя («привод горячего цикла»), в этом случае лопасти несущего винта изготавливаются из жаропрочных сплавов;
• компрессорный привод «холодного цикла»: газотурбинный двигатель в корпусе вертолёта приводит компрессор, а сжатый воздух от него подводится через трубопроводы к соплам на законцовках лопастей;
• также в ряде экспериментальных вертолетах начала 20-го века роль реактивных двигателей играли пропеллеры, установленные на концах лопастей, например вертолет Кёртиса-Блекера.

Самый первый реактивный геликоптер спроектировал и построил немецкий конструктор Добльгоф. 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. В 1956 году в американец российского происхождения Евгений Глухарев поднял в воздух первый реактивный ранцевый вертолёт MEG-1X. 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:

• слишком большой паллетный расход топлива;
• шумность;
• сложность изготовления герметичных втулок;

Для варианта с воздушно-реактивными двигателями к тому же:

• сложности с безопасным снижением на авторотации;
• необходимость в дополнительном стартовом устройстве, которое раскручивает несущий винт;
• большая заметность в тёмное время суток из-за ярких огней двигателей.

Схемы с двумя несущими винтами

Реактивные моменты в таких схемах взаимно компенсируются синхронным разнонаправленным вращением двух винтов. Общим преимуществом таких схем является отсутствие потерь мощности на компенсацию реактивного момента, однако такие схемы обладают комплексной сложностью: 

• необходимостью жесткой синхронизации несущих винтов, как по частоте вращения, так и в органах управления;
• увеличением массы несущей системы и системы управления;
• повышенным лобовым сопротивлением несущей системы.

Продольная схема

Boeing CH-47 Chinook

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 паллетный грузоподъёмности. Вертолёты с продольной схемой иногда называют «летающими вагонами».

Первопроходцем в создании вертолета, 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 0.3м (полная масса 260кг), затем на 1.5м (полная масса 328кг).

Первый же успешный вертолёт продольной схемы построил Николай Флорин в 1930 году в Бельгии.

Дальнейшим развитием данной конструкции занялся американец Франк Пясецки, выпустив в 1945 году для армии США вертолет, 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 после всего лишь 9 месяцев с начала проектирования состоялся первый полет Як-24, превосходивший по тому времени все зарубежные образцы.

Положительными сторонами этой схемы вертолёта являются:

• большой объём грузового помещения.;
• большой допустимый диапазон эксплуатационных центровок. Возможность использовать почти весь объём грузового пространства без потери в управляемости.

К недостаткам продольной схемы вертолёта относятся:

• появление значительных вибраций в некоторых режимах полета. Этот эффект особенно сильно проявлялся на ранних моделях вертолётов;
• некоторое ухудшение коэффициента полезного действия заднего несущего винта. Для решения этой проблемы задний винт расположен выше относительно переднего;
• неполная компенсация реактивных моментов винтов, которая приводит к появлению паразитной боковой силы;
• некоторая несимметричность устойчивости и управляемости в путевом отношении;
• сложная трансмиссия.

Поперечная схема

Самый большой паллетный вертолёт в мире Ми-12

Поперечные винты устанавливаются на концах крыльев или специальных опор перпендикулярно корпусу вертолёта. К поперечной схеме можно отнести и некоторые конвертопланы, например Bell V-22 Osprey, Bell Eagle Eye.

В 1921 году американский инженер Генри Берлинер вместе с отцом Емилем Берлинером спроектировал вертолет поперечной схемы. Он разместил по бокам самолетного фюзеляжа два небольших, четырехметровых винта, а на хвосте рулевой пропеллер с вертикальной осью вращения в 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.
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.

Достоинства:

• высокий коэффициент полезного действия несущих винтов вследствие отсутствия взаимного влияния воздушных потоков от этих винтов;
• наиболее выгодная схема с точки зрения устойчивости и управляемости вследствие аэродинамической симметрии.

К недостаткам этой схемы следует отнести:

• сложную трансмиссию;
• повышенный вес конструкции;
• повышенное лобовое сопротивление.

Соосная схема

Ка-26

Соосная схема представляет собой пару винтов, расположенных один над другим на одном валу. Винты вращаются в противоположные стороны, таким образом 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 .

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.

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 еще в российской империи первые два прототипа вертолета Игоря Сикорского (создателя первого успешного вертолета классической схемы V-300) были выполнены по соосной схеме.

Вертолет Яковлева «Шутка» впервые поднялся в воздух 20 декабря 1947 года, а вертолёт Камова Ка-8 в несколько ранее, 12 ноября 1947 года. Однако именно для конструкторского бюро Камова соосная схема стала основной, по сей день вертолёты Камова в единственные в мире вертолёты с соосной схемой, выпускаемые серийно.

Достоинства соосной схемы:

• минимальные габаритные размеры, так как лопасти соосных винтов короче несущих лопастей вертолётов с рулевым винтом схожего класса. Требуется минимальная по сравнению с другими схемами взлетно-посадочная площадка;
• компактность трансмиссии. Практически вся трансмиссия расположена вдоль одного вала;
• сравнительная простота управления. Все органы управления расположены рядом с трансмиссией, причём при совершении манёвров не затрачивается дополнительная мощность от двигателей;
• лучшая устойчивость при прямолинейном движении на большой паллетный скорости вследствие уменьшения вибраций;
• меньшее число критически уязвимых узлов, таких как хвостовая балка и рулевой винт одновинтовых вертолетов;
• большая по сравнению с традиционной схемой тяговооружённость минимум на 20 % на режиме висения. Нет потери мощности на рулевой винт, к тому же нижний винт работает не полностью в воздушном потоке верхнего винта, а подсасывает дополнительный воздух;
• аэродинамическая симметрия схемы. Аппарат соосной схемы может совершать полет в любом направлении практически с одинаковой эффективностью;
• уменьшение вибраций, чему способствуют меньшие размеры несущих винтов;
• безопасность для обслуживающего персонала. Отсутствие хвостового винта уменьшает вероятность травм.

Недостатки:

• ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов из-за их взаимного влияния в различных режимах полёта по сравнению с продольной и поперечной схемами;
• сложность производства, ремонта и обслуживания;
• сравнительно большая высота вертолёта вследствие большого паллетного расстояния между винтами, это в свою очередь увеличивает аэродинамическое сопротивление, которое отрицательно сказывается на максимальной горизонтальной скорости;
• вероятность перехлеста лопастей на критических режимах полета. Перехлест может наступать приблизительно в таких же режимах полёта, что и у несущего винта с хвостовой балкой классической схемы;
• немного бо`льшая скорость планирования на режиме авторотации, то есть самовращения несущих винтов под действием набегающего воздушного потока;
• более трудное обеспечение путевой устойчивости из-за присущего схеме короткого фюзеляжа, поэтому большинство соосных вертолетов имеет развитое вертикальное оперение.

Перекрещивающиеся лопасти

Kaman K-MAX

Несущие винты расположены продольно со значительным перекрытием, а их оси наклонены наружу под углом друг к другу, исключая таким образом возможность перехлёста. Из-за наклона винтов реактивные моменты уравновешиваются только относительно вертикальной оси, а их проекции относительно поперечной оси складываются, образуя момент тангажа.

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:

• минимальные габаритные размеры;
• простая и лёгкая трансмиссия;
• малый относительный вес конструкции;
• симметричность в отношении аэродинамики.

Недостатки:

• ухудшение коэффициента полезного действия несущих винтов вследствие взаимного влияния их друг на друга;
• возникновение продольного момента, усложняющего балансировку вертолета.

Многовинтовая схема

Квадролёт Георгия Ботезата

В основном вертолёты данной конструкции используют четыре винта, одна пара из которых расположены в продольной схеме, а другая в в поперечной, хотя встречаются конструкции и с большим числом винтов.
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
К многовинтовой схеме можно отнести и некоторые конвертопланы, например Curtiss-Wright X-19, Bell X-22, Bell Boeing Quad TiltRotor(проект).

Литература

• Конструкция вертолетов: Учебник для авиационных техникумов / Ю. С. Богданов, Р. А. Михеев, Д. Д. Скулков. в М.: Машиностроение, 1990. в 272 с.: ил. в ISBN 5-217-01047-9; ББК 39,57я723 Б73; УДК 629.735.45.0

Ссылки

• КОВАЛЕВ М. В., Устройство вертолета
• Техника Молодежи. Наш авиамузей. Винтокрылые.
• Фотографии втулок несущих винтов вертолетов вблизи