В 1911 году российский инженер Борис Юрьев изобрел так называемый автомат перекоса – наиболее эффективное устройство, позволяющее управлять несущим винтом и делающее вертолет тем самым аппаратом, который может совершать различные движения в пространстве: подниматься вверх, опускаться вниз и перемещаться влево-вправо или вперед-назад.
От винта: как летает вертолет и что делать при нештатной ситуации на борту
Вертолеты занимают особое место в современной авиации — там, где самолеты бессильны, они спасают жизни, доставляют грузы в самые труднодоступные уголки и выполняют уникальные маневры, недоступные другим летательным аппаратам. Однако многие до сих пор не понимают, как эти машины удерживаются в воздухе, почему часто летают так низко и насколько безопасны на самом деле. Разобраться в этих вопросах поможет наука — а точнее, принципы аэродинамики и инженерные решения, заложенные в конструкцию винтокрылых машин.
Freepik
О том, как происходит полет вертолета и что делать в экстренной ситуации на борту, рассказал Кирилл Ерин, техник Московского авиационного института.
Как летает вертолет?
Он же предложил ставшую классической схему вертолета с одним несущим винтом с автоматом перекоса и одним хвостовым винтом. При вращении несущего винта возникает реактивный момент, из-за которого корпус машины начинает раскручиваться в сторону, противоположную вращению ротора. Отбрасывая воздух от себя, несущий винт поднимает вертолет в воздух.
За управление величиной тяги несущего винта отвечает рычаг «шаг-газ» – такое название он получил, потому что может как увеличивать, так и уменьшать общий шаг винта – помогает изменяет углы установки всех лопастей одновременно, позволяя им отбрасывать необходимое количество воздуха и перемещать вертолет выше или ниже, а вместе с тем — изменять подачу топлива в двигатели, чтобы обороты винта не упали, или, наоборот, не выросли слишком сильно.
Для управления вертолетом по рысканию (поворот вертолета относительно оси вращения винта) используется хвостовой винт, который также называют рулевым. Когда нужно лететь ровно – он создает тягу, чтобы убрать реактивный момент. Для поворота по направлению вращения несущего винта он увеличивает тягу, чтобы, переборов этот момент, повернуть аппарат. Для поворота против вращения несущего винта, наоборот, тяга уменьшается, и вертолет поворачивается под действием реактивного момента.
Для управления рулевым винтом используются педали путевого управления, которыми пилот задает нужный курс.
Для движения влево-вправо или вперед-назад вертолет использует автомат перекоса несущего винта, который позволяет циклически изменять угол установки каждой лопасти. Это означает, что за один оборот каждая из лопастей загребает разное количество воздуха, наклоняя вертолет вместе с винтом и перемещая его в любом направлении.
Соответственно, чтобы полететь вперед, каждая лопасть, проходя над хвостовой балкой вертолета, увеличивает угол установки и загребает больше воздуха, а потом эта же лопасть, проходя над носом, уменьшает свой угол установки и загребает меньше воздуха. Из-за этой разницы вертолет наклоняется вместе с винтом и начинает двигаться вперед. Таким же образом автомат перекоса может заставить вертолет полететь в любом направлении.
Движением пилот управляет с помощью ручки продольного и поперечного управления (РППУ). Все достаточно просто: куда она отклоняется, туда и летит вертолет.
«Казалось бы, поднял "шаг-газ", отклонил РППУ и скорректировал курс, но на практике это непростая задача. Пилот должен постоянно чувствовать вертолет своим вестибулярным аппаратом, оценивать состояние машины по приборам и удерживать ее в равновесии. Представьте, что вам нужно удержать большую тарелку в положении равновесия на иголке, которую держите в руке, а потом пойти с ней в любую сторону, поднять или опустить – малейшая ошибка, и тарелка полетит вниз. Примерно с такой же точностью необходимо управлять вертолетом», — объясняет Кирилл Ерин.
Кроме того, пилот вертолета должен иметь хорошее здоровье, знать основы аэродинамики и конструкции вертолета, пройти теоретическую и практическую подготовку в специальных авиационных учебных центрах или летных училищах. В противном случае полеты будут просто не по силам.
Безопасно ли летать на вертолете?
«Вертолет — далеко не самый безопасный летательный аппарат, но и свои плюсы у него есть. Пока работают двигатели – бояться нечего, вертолет будет спокойно лететь, а если откажут – не нужно сразу паниковать. Если с остальными системами все в порядке, то при падении набегающий поток воздуха начнет раскручивать винт вертолета – такой режим работы называется авторотация. Благодаря продуманной трансмиссии это вращение будет передаваться на все насосы, генераторы и рулевой винт, а благодаря муфтам свободного хода отказавшие двигатели не будут помехой. В этой ситуации пилот сможет продолжить управление вертолетом, за исключением того, что лететь теперь можно только вниз, а посадка будет менее мягкой», — подчеркивает эксперт.
Но стоит, например, отказать гидроусилителям системы управления – случится катастрофа. Так, если вертолет весит более 700 кг, то сил пилота не хватит, чтобы управлять машиной в такой ситуации. Например, даже на земле, при остановленном винте и выключенных гидроусилителях, одной рукой с трудом можно поднять рычаг «шаг-газ», а при полете это становится практически невозможно. При этом нужно помнить, что, помимо него, необходимо продолжать управлять педалями и РППУ.
Почему вертолет закручивается вокруг?
«На этом все опасности не заканчиваются. Например, рулевой винт может попасть в режим вихревого кольца – если коротко, то в этом случае он начинает закручивать один и тот же воздух внутри себя. Из-за вихревого кольца рулевой винт больше не может создавать тягу, и вертолет начинает неконтролируемое вращение под действием реактивного момента. Находясь внутри стремительно набирающего обороты фюзеляжа вертолета, пилот уже ничего не сможет сделать», – добавляет специалист МАИ.
Помимо этого, пилоту нужно быть аккуратным при резких маневрах, при выполнении которых прочности фюзеляжа может не хватить, или резко и сильно отклонившаяся лопасть может ударить по хвостовой балке.
Не стоит забывать и про опасность вертолета на земле. По статистике, в гражданской авиации самая частая причина смерти человека из-за вертолета – попадание в рулевой винт.
«Одна из частых причин катастроф – земной резонанс. При взлете или посадке вертолета, когда его шасси касается земли и не позволяет свободно колебаться, как это было бы в воздухе, при порыве ветра, наезде колеса шасси на кочку или грубой посадке, центр тяжести несущего винта смещается от оси вращения и начинает трясти фюзеляж все сильнее и сильнее, пока вертолет не развалится. В этой ситуации помочь может только попытка взлететь или оторвать колеса от земли хоть на небольшое расстояние. Но не всегда пилоту удается это сделать. Одна из разновидностей земного резонанса – палубный резонанс. Здесь все аналогично прошлому случаю, но теперь колеблется еще и палуба корабля, на которую садится вертолет», — поясняет техник.
Вертолет – не самолет!
Некоторым может показаться, что вертолеты и самолеты – одного поля ягоды. Но это совсем не так. Одно из отличий – высота полета. Вертолет может лететь низко с очень малой скоростью или даже зависнуть в воздухе, ловко и резко маневрировать, что не сможет повторить ни один самолет.
«Забраться повыше для вертолета не проблема – большинство гражданских вертолетов летают на высоте 3000-4000 м, военные и специально подготовленные вертолеты могут достигать высоты 6000–6500 метров. А рекорд высоты полета вертолета был установлен 21 июня 1972 года: французский летчик-испытатель Жан Буле поднялся на 12 442 м на вертолете Aérospatiale SA.315B Lama. И все равно рекордная высота вертолета – обычная высота полета для пассажирских лайнеров», – добавляет Кирилл Ерин.
Почему вертолеты летают низко?
Проблема трудности высоких полетов заключается в воздухе: его плотность с высотой очень сильно уменьшается, из-за чего вертолету необходимо быстрее раскручивать несущий винт, что непросто сделать, — обороты, как выше упоминалось, должны быть постоянными. Например, у Ми-24 несущий винт вращается со скоростью 240 оборотов в минуту, при этом на каждую из его пяти лопастей действует центробежная сила в районе 28 т. Так как эта сила пропорциональна квадрату оборотов винта, то при повышении оборотов более чем на 10-15% есть риск того, что лопасти просто оторвет.
Как бы то ни было, вертолеты, как и самолеты, остаются достаточно безопасным транспортом, особенно при соблюдении всех норм эксплуатации.
«Главное, если вы садитесь в вертолет пассажиром, — доверять профессионалам, — заключил Кирилл Ерин. — Современная авиационная техника проходит жесткий контроль, а пилоты отрабатывают нештатные ситуации на симуляторах. Проблемы случаются, но инженеры и экипажи делают все, чтобы свести риски к нулю».