Чем винт вертолета отличается от самолетного: не спешите отвечать

Самолетный винт тянет или толкает летательный аппарат вперед, подобно гребному винту корабля. Подъемную силу создают несущие плоскости — крылья.

Устроен винт самолета просто. У первых аэропланов он вообще представлял собой единую деталь, выклшеенную из древесины: пара или трока лопастей, жестко закрепленных на одной втулшке. Позднее лопасти получили возможность крутиться на своей оси, меняя угол относительно потока воздуха (угол атаки).

У вертолета же несущий винт одновременно играет роль и крыла, и движителя: это единственное средство, с помощью которого пилот заставляет машину подниматься, снижаться, лететь вперед, назад и даже вбок. Для этого винт должен иметь возможность менять не только величину тяги, но и ее направление.

Возможно, вы уже знаете, о чем пойдет дальше речь — об автомате перекоса, конечно.

Как можно заставить винт вертолета тянуть сильнее или слабее? Крутить с большей или меньшей скоростью? Но из-за большого диаметра у него значительная инерция, раскрутить такой винт быстро невозможно.

Значит, нужно одновременно менять угол атаки всех лопастей сразу.

Чтобы заставить вертолет лететь вперед, нужно отклонить вектор тяги винта вперед. Этого можно добиться, если динамически менять угол атаки: когда лопасть пробегает половину окружности, проходя над хвостовой частью вертолета, ее угол атаки увеличивается, а когда она движется над носовой частью — уменьшается.

Обе задачи решает автомат перекоса. Устройство состоит из двух тарелок, одна из которых вложена в другую. Нижняя связана с органами управления пилота и может наклоняться или перемещаться вверх-вниз. Верхняя вращается вместе с валом несущего винта. Тяги соединяют ее с каждой из лопастей.

Когда тарелки сдвигаются вверх или вниз, одновременно увеличивается угол установки всех лопастей и растет общая подъемная сила — как говорят, меняется коллективный шаг лопастей.

Если же тарелки наклоняются, возникает циклический шаг — одна сторона вращающегося винта создает большую подъемную силу, чем другая, и вертолет наклоняется и начинает двигаться в нужном направлении.

Про автомат перекоса знают или хотя бы слышали многие любители техники. А вот про другое важное отличие пропеллера винтокрылых машин слышали очень немногие.

Лопасти самолетного винта установлены на втулке жестко, без возможности отклоняться в стороны. Опытные вертолеты начала 20 века были устроены так же, и это стало причиной их неудачи.

Проблема проявлялась, когда пилот переводил машину из режима висения в горизонтальный полет. Винт вращается, поэтому лопасти с одной стороны движутся навстречу воздушному потоку, с другой — попутно с ним. Описывая круг, каждая лопасть испытывала циклическое изменение нагрузки, и винт начинал трясти машину. Подчас прототипы разрушались во время испытаний от этих вибраций.

Решение проблемы придумал конструктор автожиров Хуан де ла Сьерва: он соединил лопасти с центральной втулкой не жестко, а на шарнире. У лопастей появилась возможность подниматься и опускаться.

Позже к шарниру взмаха другие создатели вертолетов добавили шарнир упреждения, позволяющий лопасти отклоняться вперед и назад в плоскости вращения. Он гасит инерционные нагрузки, возникающие при изменении скорости вращения винта.

Фирмы Bell и Robinson иначе решают проблему вибраций. В их фирменном двухлопастном винте отдельных шарниров для лопастей нет, а вместо этого весь винт установлен на качающейся втулке, как коромысло — такая схема получила название полужесткой. Если одна винта поднимается, другая опускается. Для легких вертолетов это решение выигрышно благодаря его простоте и легкости.

В недавнее время прогресс в материалостроении позволил вообще отказаться от шарниров, заменив их на гибкие элементы из титана или композитов.

Вообще вертолет, пожалуй, самая вибронагруженная машина в авиации. Есть целый ворох физических факторов, которые могут вызвать тряску, от флаттера — автоколебания концов лопастей — до земного резонанса — странного явления, связанного с гравитацией.

Шарниры неспособны справиться со всеми этими проблемами. В помощь им, в конструкции винта применяются демпферы — это третье важное отличие вертолетного винта от самолетного. Как правило, это гидравлические устройства, работающие аналогично амортизаторам в подвеске автомобиля.

На винтах многих вертолетов есть еще и виброгасители — грузы, встроенные в лопасти в точно рассчитанном месте, чтобы подавлять развитие колебаний.