V. Підйомна сила гелікоптера

Підйомна сила і тяга для поступального руху у вертольота створюються за допомогою несучого гвинта. Цим він відрізняється від літака і планера, у яких підйомна сила при русі в повітрі створюється несучою поверхнею - крилом, жорстко з'єднаним з фюзеляжем, а тяга - повітряним гвинтом або реактивним двигуном (рис. 9)

Рис.9

I - гвинтовий літак; II- реактивний літак; III – вертоліт.

В принципі польоту літака і вертольота можна провести аналогію. У тому і іншому випадку підйомна сила створюється за рахунок взаємодії двох тіл: повітря та літального апарату (літака або вертольота).

За законом рівності дії і протидії випливає, що з якою силою літальний апарат діє на повітря (вага або земне тяжіння), з такою ж силою повітря діє на літальний апарат (підйомна сила).

Обертовий несучий гвинт змітає поверхню, яку можна уявити собі як несучу, аналогічну крилу літака (рис. 10). Повітря, що протікає через поверхню, змітається несучим гвинтом, в результаті взаємодії з обертовими лопатями відкидається вниз з індуктивною швидкістю. У разі горизонтального або похилого польоту повітря притікає до поверхні, змітається несучим гвинтом під деяким кутом (коса обдування). Як і у літака, об'єм повітря, що бере участь у створенні повної аеродинамічної сили несучого гвинта, можна представити у вигляді циліндра, у якого площа основи дорівнює площі поверхні, що змітається несучим гвинтом, а довжина - швидкості польоту, вираженої в м/сек.

Рис. 10.

Обсяг повітря, що бере участь у створенні тяги несучого гвинта вертольота: а - при косій обдуві; б - при "висінні" і вертикальному підйомі

При роботі несучого гвинта на місці або у вертикальному польоті (пряма обдування) напрям повітряного потоку збігається з віссю несучого гвинта. У цьому випадку повітряний циліндр буде розташований вертикально (рис. 10, б). Повна аеродинамічна сила несучого гвинта виразиться як добуток маси повітря, що протікає через поверхню, що змітається несучим гвинтом за одну секунду, на індуктивну швидкість струменя що відходить:

де πD² /4 – площа поверхні, що охоплює гвинт;

V— швидкість польоту в м/сек;

ρ — густина повітря;

u — індуктивна швидкість струменя, що відходить в м/сек.

Необхідно сказати, що в розглянутих випадках як для крила літака, так і для несучого гвинта вертольота за індуктивну швидкість приймається індуктивна швидкість струменя, що проходить на якійсь відстані від несучої поверхні. Індуктивна швидкість струменя повітря, що виникає на самій несучій поверхні має в два рази меншу величину.

Таке тлумачення походження підйомної сили крила або повної аеродинамічної сили несучого гвинта не є абсолютно точним і справедливо тільки в ідеальному випадку. Воно лише принципово правильно і наочно пояснює фізичний зміст явища. Тут же доречно відзначити одну дуже важливу обставину, що випливає з розібраного прикладу.

Якщо повна аеродинамічна сила несучого гвинта виражається як добуток маси повітря, що протікає через поверхню, що охоплює несучий, на індуктивну швидкість, а обсяг цієї маси є циліндр, у якого основою є площа поверхні, захоплювана несучим гвинтом, і довжиною - швидкість польоту, то абсолютно ясно, що для створення тяги постійної величини (наприклад, рівною вазі вертольота) при більшій швидкості польоту, а значить, і при більшому обсязі відкидається повітря, потрібна менша індуктивна швидкість і, отже, менша потужність двигуна.

Навпаки, для підтримки вертольота в повітрі при "висінні" на місці потрібно більше потужності, ніж під час польоту з деякою поступальною швидкістю, при якій має місце зустрічний потік повітря за рахунок руху вертольота.

Іншими словами, при витраті однієї і тієї ж потужності (наприклад, номінальної потужності двигуна) в разі похилого польоту з досить великою швидкістю можна досягти більшого стелі, ніж при вертикальному підйомі, коли загальна швидкість переміщення вертольота менше, ніж у першому випадку. Тому у вертольота є дві стелі: статична, коли висота набирається у вертикальному польоті, і динамічна, коли висота набирається в похилому польоті, причому динамічна стеля завжди вища статичної.

У роботі несучого гвинта вертольота і повітряного гвинта літака є багато спільного, але є й принципові відмінності, про які буде сказано далі.

Порівнюючи їх роботу, можна помітити, що повна аеродинамічна сила, а отже, і тяга несучого гвинта вертольота, що є складовою сили R в напрямку осі втулки, завжди більше (в 5-8 разів) при однаковій потужності двигуна і однаковій вазі літальних апаратів за рахунок того, що діаметр несучого гвинта вертольота в кілька разів більше діаметру повітряного гвинта літака. При цьому швидкість відкидання повітря у несучого гвинта менше, ніж швидкість відкидання у повітряного гвинта.

Величина тяги несучого гвинта в дуже великій мірі залежить від його діаметра D і числа обертів. При збільшенні діаметра гвинта в два рази тяга його збільшиться приблизно в 16 разів, при збільшенні числа обертів вдвічі тяга збільшиться приблизно в 4 рази. Крім того, тяга несучого гвинта залежить також від щільності повітря ρ, кута установки лопатей φ (кроку несучого гвинта), геометричних і аеродинамічних характеристик даного гвинта, а також від режиму польоту. Вплив останніх чотирьох факторів виражається зазвичай у формулах тяги повітряного гвинта через коефіцієнт тяги.

Необхідно відзначити, що на величину тяги при польотах у землі впливає так звана "повітряна подушка", завдяки чому вертоліт може відірватися від землі і піднятися на кілька метрів при витраті потужності меншої, ніж та, яка необхідна для "висіння" на висоті 10- 15 м. Наявність "повітряної подушки" пояснюється тим, що повітря, що відкидається гвинтом, вдаряється об землю і піджимається, тобто, збільшує свою щільність. Вплив "повітряної подушки" особливо сильно позначається при роботі гвинта у землі. За рахунок підтискання повітря тяга несучого гвинта в цьому випадку, при одній і тій же витраті потужності, збільшується на 30-40%. Однак з віддаленням від землі цей вплив швидко зменшується, а при висоті польоту, рівної половині діаметра гвинта, "повітряна подушка" збільшує тягу тільки на 15-20%. Висота "повітряної подушки" приблизно дорівнює діаметру несучого гвинта. Далі приріст тяги зникає.

Несучий гвинт вертольота володіє виключно важливою властивістю - здатністю створювати підйомну силу на режимі само обертання (авторотації) у разі зупинки двигуна, що дозволяє вертольоту здійснювати безпечне планування або парашутований спуск і посадку.

Обертовий несучий гвинт зберігає необхідне число обертів при плануванні або парашутуванні, якщо його лопаті будуть переведені на невеликий кут установки. При цьому зберігається підйомна сила, що забезпечує спуск з постійною вертикальною швидкістю (6-10 м / сек), з подальшим зменшенням її при вирівнюванні перед посадкою до l - 1,5 м / сек.

У роботі несучого гвинта у випадку моторного польоту, коли потужність від двигуна передається на гвинт, і в разі польоту на режимі само обертання, коли енергію для обертання гвинта він отримує від зустрічного струменя повітря, є істотна відмінність.

У моторному польоті зустрічнеповітря набігає на несучий гвинт зверху або зверху під кутом. При роботі гвинта на режимі само обертання повітря набігає на площину обертання знизу або під кутом знизу (рис. 11). Скіс потоку за несучим гвинтом в тому і іншому випадку буде спрямований вниз, так як індуктивна швидкість згідно теоремі про кількість руху буде спрямована прямо протилежно тязі, тобто наближено вниз по осі несучого гвинта.

Рис. 11. Взаємодія повітряного потоку з несучим гвинтом вертольота:

I - скіс потоку в моторному польоті; II - скіс потоку на режимі само обертання гвинта.