Кіріспе

Ұшақ құрамдас бөлігі
Тікұшақтың негізгі ротор жүйелері

Тікұшақта негізгі ротор немесе ротор жүйесі – бірнеше айналатын қанаттардың (ротор пернелері) басқару жүйесімен үйлесімі, ол тікұшақтың салмағын ұстап тұратын аэродинамикалық көтергіш күшті және алға қарай ұшу кезінде аэродинамикалық қарсылықты жеңсеру үшін қажет итергіш күшті жасайды. Әрбір негізгі ротор тікұшақтың үстіне орнатылған тік бағанаға бекітіледі, ал тікұшақтың құйрық роторы, керісінше, қозғалтқыш білігі мен беріліс қораптарының жиынтығы арқылы құйрық бөлігімен байланысады. Пернелердің бұрылу бұрышы әдетте ұшқыш тікұшақтың басқару тұтқаларын қолдану арқылы реттеледі. Тікұшақтар – айналатын қанатты ұшақтардың (роторлық ұшақтар) бір мысалы. Бұл атау грек тіліндегі спираль мағынасын беретін helix, helik және қанатты білдіретін pteron сөздерінен алынған.

Шолу

Вертолет роторы қозғалтқыштан беріліс арқылы айналатын мачтаға қуат жеткізіледі. Мачта – цилиндр тәрізді металл білік, ол берілістен жоғары қарай созылып, осы беріліс арқылы қозғалады. Мачтаның жоғарғы жағында ротор қанаттарын бекіту нүктесі орналасқан (көбінесе «Иса түйіні» деп аталады). Ротор қанаттары осы бекіткішке бекітіледі, ал бекіткіштің созылу күші қанаттың 10-20 есе күшіне жетеді. Негізгі ротор жүйелері негізгі ротор қанаттарының бекітілу әдісіне және негізгі ротор бекіткішіне қатысты қозғалысына сәйкес жіктеледі. Үш негізгі жіктеме бар: қатаң, жартылай қатаң және толық буынды, бірақ кейбір заманауи ротор жүйелері осы жіктемелердің комбинациясын қолданады. Ротор – өте дәл реттелген айналатын масса, ал әртүрлі ұсақ түзетулер әртүрлі ауа жылдамдықтарында дірілді азайтады. Роторлар белгілі бір айналу жылдамдығында (бірнеше пайыздық тар диапазонда) жұмыс істеуге арналған, бірақ кейбір тәжірибелік ұшақтар өзгермелі жылдамдықты роторларды қолданған. Турбовентиляторлық реактивті қозғалтқыштарда қолданылатын кішкентай диаметрлі желдеткіштерден айырмашылығы, вертолеттің негізгі роторы үлкен диаметрге ие, бұл оған үлкен көлемдегі ауаны жылдамдатуға мүмкіндік береді. Бұл берілген итеру күші үшін төмендетілген ағын жылдамдығына қол жеткізуге мүмкіндік береді. Төмен жылдамдықтарда ауаның үлкен көлемін аз жылдамдықпен жылдамдату, ауаның кішкентай көлемін жоғары жылдамдықпен жылдамдатудан тиімді болғандықтан, әдеттегі вертолеттің тікұшу тиімділігі («сапа белгісі») шамамен 60% құрайды. Ротор қанатының ішкі үштен бір бөлігінің ұзындығы ауа жылдамдығының төмен болуына байланысты көтеруге аз үлес қосады.

Бөренелер

Вертолеттің қанаттары ұзын, тар аэродинамикалық профильдер, жоғары сәйкес қатынасы бар, бұл пішін ұшқыш айналмалы құймаларынан туындайтын кедергіні азайтады (салыстыру үшін жолғыш ұшақтың қанаттарына қараңыз). Олар әдетте, ауа ағыны ең жылдам және құймалардың пайда болуы маңызды мәселе болатын ұштарындағы көтеру күшін азайтатын шайылу дәрежесін қамтиды. Ротор қанаттары әртүрлі материалдардан жасалады, соның ішінде алюминийден, композиттік құрылымнан, болаттан немесе титаннан, ал алдыңғы жиегінде тозуға қарсы қорғағыштар болады. Роторлық қанаттар дәстүрлі түрде пассивті болып табылады; алайда, кейбір вертолеттерде қанаттарында белсенді компоненттер болады. Kaman K MAX қанаттың бұрылысын басқару үшін артқы жиектің жапсырмаларын пайдаланады, ал Hiller YH 32 Hornet қанаттың ұштарына орнатылған реактивтік қозғалтқыштармен жұмыс істеді. 2010 жылдан бері артқы жиектің жапсырмалары арқылы белсенді қанатты басқару бойынша зерттеулер жүргізілуде. Кейбір вертолет қанаттарының ұштары турбуленттілікті және шуды азайту және тиімді ұшуды қамтамасыз ету үшін арнайы жасалған болуы мүмкін. Мұндай ұштардың мысалы – Британдық тәжірибелік ротор бағдарламасы барысында жасалған BERP роторларының ұштары.

Толық буыны бар

Хуан де ла Сиерва автогироның толық қозғалмалы роторын жасады. Оның жобалау негіздері тікұшақтарды сәтті құруға мүмкіндік берді. Толық қозғалмалы ротор жүйесінде әрбір ротор қанаты ротордың орталық бөлігіне бірнеше біліктің көмегімен бекітіледі, бұл қанатты басқаларынан тәуелсіз қозғалуға мүмкіндік береді. Мұндай ротор жүйелерінде әдетте үш немесе одан көп қанат болады. Қанаттар бір-бірінен тәуелсіз түрде желбіреуге, бұрылуға, алға немесе артқа жылжуға бейім. Горизонталь білік, желбіреу білігі деп аталады, қанаттың жоғары және төмен қозғалуына мүмкіндік береді. Бұл қозғалыс желбіреу деп аталады және көтеру күшінің теңсіздігін өтеу үшін жасалған. Желбіреу білігі ротордың орталық бөлігінен әртүрлі қашықтықта орналасуы мүмкін, сондай-ақ бірнеше білік болуы мүмкін. Вертикаль білік, алға-артқа жылжу білігі немесе сүйреу білігі деп аталады, ол қанаттың алға-артқа қозғалуына мүмкіндік береді. Бұл қозғалыс алға-артқа жылжу, сүйреу немесе іздеу деп аталады. Артық қозғалысты болдырмау үшін сүйреу білігінің айналасында демпферлер қолданылады. Сүйреу білігі мен демпферлердің мақсаты – алға және артқа жылдамдату мен тежелуге себеп болатын, алға және артқа жылжушы қанаттардың кедергісінен туындаған күштерді өтеу болып табылады. Кейінгі үлгілерде дәстүрлі подшипниктер эластомерлік подшипниктерге ауыстырылды. Эластомерлік подшипниктер қауіпсіздікке кепілдік береді және олардың тозуы біртіндеп және көзбен байқалады. Бұл конструкцияда ескі подшипниктердің металлдан металға жанасуы және майлау қажеттілігі жойылды. Толық қозғалмалы жүйенің үшінші білігі – бұрылу осі бойынша бұрылу білігі деп аталады. Бұл білік ұжымдық немесе циклдік басқару арқылы ротор қанаттарының бұрылу бұрышының өзгеруіне жауапты. Толық қозғалмалы жүйенің бір түрі – жазықтықтағы жұмсақ ротор жүйесі. Мұндай ротор Bell Helicopter компаниясы өндірген OH 58D Kiowa Warrior сияқты бірнеше ұшақтарда қолданылады. Бұл жүйе толық қозғалмалы типке ұқсас, себебі әрбір қанат басқаларынан тәуелсіз түрде алға-артқа жылжуға және іздеуге қабілетті. Толық қозғалмалы жүйе мен жазықтықтағы жұмсақ жүйенің арасындағы айырмашылық – жазықтықтағы жұмсақ жүйе құрама иықты пайдаланады. Бұл иық мачтаға бекітіледі және қанаттар арасындағы қанат ұстағыштары арқылы өтеді. Бұл иық бір қанаттың қозғалысын екіншісіне, әдетте қарама-қарсы қанаттарға ауыстырады. Бұл толық қозғалмалы болмаса да, ұшу сипаттамалары өте ұқсас және техникалық қызмет көрсету уақыты мен шығындары төмендеді.

Қатты

Қатты ротор термині көбінесе біліктері орталыққа серпімді бекітілген шарнықсыз ротор жүйесін білдіреді. Lockheed компаниясының Ирв Калвері 1960 және 1970 жылдары бірнеше тікұшақта сынақтан өткен және жетілдірілген алғашқы қатты роторлардың бірін жасады. Қатты ротор жүйесінде әрбір қанат тамырдың серпімді бөліктерінде шағылып, иіліп-бүгіліп қозғалады. Қатты ротор жүйесі толық буынды ротор жүйесімен салыстырғанда механикалық тұрғыдан қарапайым. Шағылу және алдын-артта жылжу күштерінен туындайтын аэродинамикалық және механикалық жүктемелер шарнықтар арқылы емес, ротор қанаттарының иілуі арқылы өтеледі. Иілу арқылы қанаттар бұрын қажет болған мықты шарнықтарды алмастырады. Соның салдарынан, әдетте туындайтын үлкен орталық моментінің әсерінен басқаруға жауап беру жылдамдығы төмендейді. Осылайша, қатты ротор жүйесі жартылай қатты роторлардағы мачтың соқтығысу қаупін жояды.

Жартылай қатты

Жартылай қатаң роторды тербелісті немесе теңгерімді ротор деп те атауға болады. Бұл жүйе әдетте ротор білігіндегі ортақ шағылысқан немесе тербеліс білігінің астында орналасқан екі қанаттан тұрады. Бұл қанаттардың теңгерім сияқты, бір-біріне қарама-қарсы қозғалыстармен шағылысуына мүмкіндік береді. Қанаттардың тербеліс білігінің астына орналасуы, қанаттардың жеткілікті диэдральдық немесе конус тәрізді бұрышымен үйлесімде, ротор айналғанда әрбір қанаттың массалық центрінің радиусындағы өзгерістерді азайтады, бұл өз кезегінде Кориолис эффектісінен туындаған жетектеу және кешігу күштерінен қанаттарға түсетін стресті азайтады. Секундырлық шағылыс біліктері де серпімділікті арттыру және шағылысуды азайту үшін қолданылуы мүмкін. Қанат бұрышын өзгертуге мүмкіндік беретін қанат тамырындағы шағылыс білігі арқылы қанаттардың бұрылуы жүзеге асырылады.

Қосылым

Қазіргі заманғы ротор жүйелері жоғарыда аталған ротор жүйелерінің біріктірілген принциптерін қолдануы мүмкін. Кейбір ротор орталықтарында иілгіш орталықтар болады, олар подшипниктер немесе біліктіктерді қажет етпей, қанаттардың иілуіне (майысуына) мүмкіндік береді. Бұл жүйелер, флексуралар деп аталады, әдетте күрделі материалдан жасалады. Дәстүрлі роликтік подшипниктердің орнына эластомерлік подшипниктерді де қолдануға болады. Эластомерлік подшипниктер резеңке тәрізді материалдан жасалады және тікұшақтарға өте қолайлы шектеулі қозғалысты қамтамасыз етеді. Флексуралар мен эластомерлік подшипниктерге майлау қажет емес, сондықтан оларды күтіп-жөндеу аз қажет. Олар дірілді сіңіреді, яғни шаршауды азайтады және тікұшақ құрамдас бөліктерінің қызмет ету мерзімін ұзартады.

Суаш пластинасы

Басқарулар айналу барысында негізгі ротордың қанаттарының бұрышын циклдік түрде өзгертеді. Ұшқыш осы арқылы ротордың итермелеу векторының бағытын басқарады, ол ротор дискісінің ең жоғары итермелеу пайда болатын бөлігін анықтайды. Ұжымдық басқару ротордың бүкіл дискісі бойынша бірдей итермелеуді арттыру немесе азайту арқылы итермелеу мөлшерін өзгертеді. Бұл қанат бұрышының өзгеруі ұшқыштың басқару құралдары арқылы көтерілу, төмендеу немесе қисайту арқылы бақыланады. Көптеген тікұшақтар ұшу кезінде ротордың тұрақты айналу жылдамдығын (RPM) сақтайды, бұл қанаттардың шабуыл бұрышын ротордан итермелеуді реттеудің жалғыз құралы ретінде қалдырады. Суаш пластинасы – екі концентрлі дискі немесе пластина. Бір пластина мачтамен бірге айналады, бос буындармен байланысқан, ал екіншісі айналмайды. Айналатын пластина қанаттарға соқпақ буындар мен соқпақ мүйіздері арқылы қосылады. Айналмайтын пластина ұшқыштың басқару құралдарымен – атап айтқанда, ұжымдық және циклдік басқарулармен – басқарылатын буындарға қосылады. Суаш пластинасы тік және көлбеу қозғала алады. Қозғалыс және көлбеу арқылы айналмайтын пластина айналатын пластинаны басқарады, ол өз кезегінде жеке қанаттардың бұрышын басқарады.

Flybar (тұрақтандырушы бар)

Бірнеше инженерлер, олардың ішінде АҚШ-тағы Артур М. Янг және Германиядағы радиобасқару әуе үлгілерін құрастырушы Дитер Шлютер, тікұшақтардың ұшу тұрақтылығын тұрақтандырушы таяқша немесе ұшқыш таяқша арқылы қамтамасыз етуге болатынын тапты. Ұшқыш таяқшаның әр шетінде салмақ немесе қанатша (немесе кіші тікұшақтарда қосымша тұрақтылық үшін екеуі де) болады, ол тұрақты айналу жазықтығын сақтауға көмектеседі. Механикалық байланыстар арқылы таяқшаның тұрақты айналуы, ротордағы ішкі (басқару) және сыртқы (жел) күштерді басу үшін swashplate қозғалысымен үйлеседі. Бұл ұшқышқа ұшақты басқаруды жеңілдетеді. Стенли Хиллер де тұрақтылықты арттыру үшін ұштарында қысқа, кең жел қанаттарын немесе қанатшаларды қосу арқылы ұқсас әдіс тапты. Алайда, Хиллердің "Rotormatic" жүйесі басты роторға циклдік басқару сигналдарын басқару роторы ретінде берді, ал қанатшалар роторға сыртқы күштердің әсерін басаңдату арқылы қосымша тұрақтылықты қамтамасыз етті. Lockheed ротор жүйесі Bell тұрақтандырушы таяқшасының принципіне ұқсас басқару гироскопын қолданды, бірақ шарнықсыз ротор жүйесінің тұрақтылығын және жылдам басқару реакциясын қамтамасыз ету үшін жасалған. Сымды басқару (fly by wire) тікұшақтарында немесе қашықтан басқару (RC) модельдерінде гироскоп сенсорлары және Вентури сенсоры бар микроконтроллер тұрақтандырғышты алмастыра алады. Бұл ұшқышсыз конструкцияны қайта конфигурациялау оңай және механикалық бөліктері аз.

Баяу жүретін ротор

Көптеген вертолеттердің роторлары тұрақты жылдамдықпен айналады. Дегенмен, кейбір жағдайларда ротордың жылдамдығын төмендету артықшылықтар әкелуі мүмкін. Алға қарай жылдамдық артқан сайын, ротордың алға жылжу жылдамдығы дыбыс жылдамдығына жақымдап келеді. Бұл мәселені азайту үшін ротордың айналу жылдамдығы төмендетілуі мүмкін, бұл вертолеттің жылдам ұшуына мүмкіндік береді. Ротордың көтеру күшін төмен жылдамдықтарда реттеу үшін, дәстүрлі конструкцияда ротор қанаттарының шабуыл бұрышы ұжымдық басқару арқылы азайтылады. Роторды баяулату орнына, ұшудың осы кезеңінде кедергіні азайтуға және осылайша отынның үнемді пайдаланылуын жақсартуға болады.

Ротордың конфигурациясы

Көптеген тікұшақтарда бір негізгі ротор болады, бірақ айналу моментін жеңу үшін қосымша ротор қажет. Бұл өзгермелі қанатты қарсы ротор немесе құйрық роторы арқылы іске асырылады. Осы дизайнды Игорь Сикорский өзінің VS 300 тікұшағы үшін таңдады, және ол тікұшақ құрылымының қалыпты стандартқа айналды, әйтсе де, конструкциялар әртүрлі болуы мүмкін. Жоғарыдан қарағанда, көптеген американдық тікұшақтардың роторлары сағат тіліне қарсы айналады, ал француз және ресейлік тікұшақтар сағат тілімен айналады. Роторлық ұшақтың тағы бір түрі – иілгіш роторлы ұшақ, ол қозғалтқышпен тік көтерілген кезде тікұшақтың негізгі роторларымен көптеген ортақ белгілері бар.

Бір басты ротор

Бір басты роторлы тікұшақтарда қозғалтқыш роторды айналдырғанда туындайтын айналу моменті, тікұшақ корпусын ротордың қозғалысына қарама-қарсы бағытта бұру әсерін тудырады. Бұл әсерді жою үшін, тікұшақтың бағытын сақтап, оның иілуін басқаруға жеткілікті қуатпен анти-моменттік басқару жүйесі қолданылуы тиіс. Қазіргі таңда ең көп қолданылатын үш басқару құралы – құйрық роторы, Eurocopter компаниясының Fenestron (fantail деп те аталады) және MD Helicopters компаниясының NOTAR жүйесі. Роторлардың саны да маңызды, көптеген тікұшақтарда бір қатарға екі ротор орналасқан, ал тағы бір конфигурацияда – төрт ротор болады. Екі қанатты ротордың мысалы – Bell 212, ал оның төрт қанатты нұсқасы – Bell 412. Ротор қанаттарының санының әсерін UH-72 (EC145 нұсқасы) мысалында көруге болады; А үлгісінде төрт қанат болса, UH-72B үлгісінде дірілді азайту үшін бес қанатқа ауыстырылды. Басқа да қанаттар саны мүмкін, мысалы, CH-53K үлкен әскери-көлік тікұшағы жеті қанатты негізгі ротормен жабдықталған.

Құйрық роторы

Құйрық роторы – дәстүрлі бір роторлы тікұшақтың құйрығының соңында тік немесе тікке жуық бұрылып тұратын кішкентай ротор. Құйрық роторының орны және ауырлық центрінен арақашықтығы, оған негізгі ротордың айналу бағытына қарама-қарсы бағытта итергіш күш тудыруға мүмкіндік береді, осылайша негізгі ротордың құратын айналу моментінің әсерін теңестіреді. Құйрық роторлары негізгі роторларға қарағанда қарапайым, себебі олар итергіш күшті өзгерту үшін тек қана қақпақтың бұрылуын өзгертуді қажет етеді. Пилот құйрық роторының қақпақтарын анти-момент педальдары арқылы реттей алады, бұл педальдар тікұшақты тік осьтің айналасында бұруға және осылайша ұшу бағытын өзгертуге мүмкіндік береді, соның арқасында бағытты басқару жүзеге асырылады.

Құбырлы желдеткіш

Fenestron және FANTAIL – тікұшақтың құйрық балкасының соңына орнатылып, қалыпты құйрық роторының орнына қолданылатын арналы желдеткіштердің товарлық белгілері. Арналы желдеткіштерде шудың әртүрлі жиіліктерге таралуын қамтамасыз ету үшін сегізден он сегізге дейін жапырақтар тегіс емес аралықпен орналастырылған. Корпус ұшақтың қаптамасымен біртұтас жасалған және жоғары айналу жылдамдығына мүмкіндік береді, сондықтан арналы желдеткіштер дәстүрлі құйрық роторларынан кішірек болуы мүмкін. Fenestron алғаш рет 1960 жылдардың соңында Sud Aviation компаниясының SA 340 екінші эксперименталдық үлгісінде қолданылып, кейіннен Aérospatiale SA 341 Gazelle үлгісінде өндірілді. Eurocopter және оның ізашарларынан бөлек, FANTAIL атауымен АҚШ Армиясының RAH 66 Comanche жобасындағы тоқтатылған әскери тікұшақта да қолданылды.

НОТАР

NOTAR – «құйрық роторы жоқ» деген сөздің аббревиатурасы. Бұл тікұшақтың анти-токтік жүйесі, ол тікұшақта құйрық роторын пайдалануды болдырмайды. Концепцияны жетілдіруге біраз уақыт кетсе де, NOTAR жүйесі теориялық тұрғыдан қарапайым және анти-токті қанаттың Коанда эффектісін пайдаланып көтерілуді дамыту тәрізді қамтамасыз етеді. Ауыспалы шапшаңдығы бар желдеткіш, тікұшақтың артқы бөлігінде, құйрық бағанасының алдында орналасқан және негізгі ротордың берілісімен қозғалады. Негізгі ротордың (жоғарыдан қарағанда) сағат тіліне қарсы айналуынан туындайтын айналымдық күшті тежеу үшін, айнымалы желдеткіш төмен қысымды ауаны құйрық бағанасының оң жағындағы екі ойық арқылы итеріп жібереді, бұл негізгі ротордың төмен қарайтын ағынының құйрық бағанасын жабысуына себеп болады, соның салдарынан көтерілу пайда болады және бұл ротордан шығатын ауа ағыны мөлшеріне пропорционалды анти-токтің шамасын анықтайды. Бұл тік итеру қозғалтқышымен күшейтіледі, ол бағыттық бұрылуды басқарады, құйрықтың соңына жақын орналасқан, тік стабилизаторлары бар бекітілген қанатты бөліктерімен бірге. NOTAR жүйесін әзірлеу 1975 жылға дейін барып жетеді, осы кезде Hughes Helicopters инженерлері концепциялық әзірлеу жұмыстарын бастады. Көп өзгертілген прототиптік үлгі алғаш рет 1986 жылдың наурыз айында ұшып, кеңейтілген ұшу сынақтарынан сәтті өтті, бұл жүйені тікұшақ құрылымында болашақ қолдануға дайындады. Қазіргі уақытта NOTAR дизайнын қолданатын үш өндірістік тікұшақ бар, олардың барлығы MD Helicopters компаниясымен өндіріледі. Бұл анти-токтік конструкция, сонымен қатар, құйрық роторына кездейсоқ соқтығып қалу қаупін жою арқылы қауіпсіздікті арттырады. Бұл жүйенің алдындағы үлгі ретінде Ұлыбританияның Cierva W.9 тікұшағы болды, ол 1940 жылдардың соңында жасалған ұшақ, ротордың айналу моментін тежеу үшін поршеньді қозғалтқыштың салқындату желдеткішінен ауаны құйрық бағанасы арқылы итеру арқылы жұмыс істеді.

Ұңғымалық ұшқыштар

Негізгі ротор ұштық соплолармен қозғалтуға болады. Мұндай жүйе компрессормен қамтамасыз етілген жоғары қысымды ауамен қуатталуы мүмкін. Ауа отынмен араластырылуы немесе араластырылмауы мүмкін және содан кейін ұшақ қозғалтқыштарында, импульстік қозғалтқыштарда немесе ракеталарда жағылуы мүмкін. Бұл әдіс қарапайым және айналу моментіне қарсы әрекетті жояды, бірақ жасалған прототиптер дәстүрлі тікұшақтарға қарағанда отынды аз тұтынады. Күймеген қысылған ауамен жұмыс істейтін ұштық соплоларды есептемегенде, өте жоғары шу деңгейі – ұштық соплолармен жұмыс істейтін роторлардың кеңінен қолданылмауының басты себебі. Дегенмен, шуды басу бойынша зерттеулер жалғасуда және бұл жүйені тиімді етуге көмектесуі мүмкін. Ұштық соплолармен қуатталатын роторлық ұшақтардың бірнеше мысалы бар. Percival P.74 жеткілікті қуатқа ие болмағандықтан ұша алмады. Hiller YH 32 Hornet жақсы көтергіштікке ие болды, бірақ басқа жағынан нашар өнім көрсетті. Басқа ұшақтар аудармалы ұшу үшін қосымша итеру күшін пайдаланды, сондықтан ұштық соплолар ротордың автоайналу кезінде өшірілуі мүмкін. Эксперименталды Fairey Jet Gyrodyne, 48 орындық Fairey Rotodyne жолаушылар прототиптері және McDonnell XV 1 құрама гиропландары осы әдіс арқылы жақсы ұшты. Бұл типтегі ең ерекше дизайн, мүмкін, Rotary Rocket Roton ATV болды, ол бастапқыда ракеталық соплосы бар роторды пайдаланып ұшуға арналған. Француздық Sud Ouest Djinn роторды қозғау үшін күймеген қысылған ауаны қолданды, бұл шуды азайтып, оны өндіріске енген жалғыз ұштық соплолы роторлық тікұшаққа айналдырды. Hughes XH 17 тікұшаққа орнатылған ең үлкен роторға ие болған ұштық сопломен қуатталатын роторды қамтиды.

Екілік роторлар

Екілік роторлар қарама-қарсы бағытта айналып, ұшақтағы айналу моментінің әсерін күшпен теңестіреді, соның салдарынан кері айналу моментін жоятын құйрық роторына мұқтаждық болмайды. Бұл ұшақтың құйрық роторын іске қосуға жұмсалатын қуатты бас роторларға бағыттауға мүмкіндік береді, осы арқылы көтеру қабілеті артады. Көбінесе, роторлық ұшқыштарда қарсы айналу эффектін пайдаланатын үш кең таралған конфигурация бар. Тандемдік роторлар – бірі екіншісінің артында орналасқан екі ротор. Коаксиалдық роторлар – бір ось бойында бірінің үстіне бірі орналасқан екі ротор. Қырыстырылған роторлар – ұшақтың жоғарғы бөлігінде бірімен бірі келісіп жұмыс істейтіндей етіп, жақын арақашықтықта орналасқан екі ротор. Тағы бір конфигурация – кейбір ерте вертолеттерде және tiltrotorларда қолданылатын – көлденең роторлар деп аталады, онда роторлардың жұбы қанат тәрізді құрылымның немесе тіреуіш конструкцияның әр шетіне орналастырылады.

Тандем

Тандемді роторлар – бірінің артында бірі орналасқан екі көлденең бас ротор жиынтығы. Тандемді роторлар циклдық шағылыс деп аталатын процестің арқасында тікұшақты жылдамдату және баяулату үшін көлбеу бұрышын өзгертеді. Алға қарай жылдамдау үшін екі ротор да артқы жағындағы шағылысты ұлғайтып, алдыңғы жағындағы шағылысты азайтады (циклдық), екі ротордың да айналу моментын сақтайды. Бүйірге қарай ұшу үшін бір жағындағы шағылыс ұлғайтылып, екінші жағындағы шағылыс азайтылады. Бағытты басқару әрбір ротордағы қарама-қарсы циклдық шағылыс арқылы жүзеге асырылады. Оңға бұрылу үшін алдыңғы ротор оңға, ал артқы ротор солға көлбеуі керек. Солға бұрылу үшін алдыңғы ротор солға, ал артқы ротор оңға көлбеуі керек. Ротордың барлық қуаты көтеруге жұмсалады, сондай-ақ ауырлық центрінің алға-артқа қарай өзгеруін басқару да оңайырақ. Дегенмен, бұл бір үлкен бас ротор мен кішкентай құйрық роторына қарағанда екі үлкен роторды талап етеді. Boeing CH-47 Chinook – ең көп таралған тандемді роторлы тікұшақ.

Коаксиалдық

Коаксиалды роторлар – бір осьте бірін жоғары орналасқан және қарама-қарсы бағытта айналатын роторлардың жұбы. Коаксиалды ротордың артықшылығы – тікұшақ алға ұшқанда, әрбір ротордың алға жылжыған жартысы екінші ротордың артқа жылжыған жартысының әсерін теңестіреді, соның салдарынан көтеру күшінің теңсіздігінен туындайтын негізгі мәселені – артқа жылжыған қанаттың тоқтауын болдырмайды. Дегенмен, коаксиалды роторларға қатысты басқа да конструкциялық мәселелер бар. Ротор жүйесінің механикалық құрылысы күрделенеді, себебі екі ротор жүйесі үшін байланыстар мен иінтіректер қажет болады. Сонымен қатар, роторлар қарама-қарсы бағытта айналуы керек болғандықтан, осьтің құрылысы да күрделірек болады, ал жоғарғы ротор жүйесінің шамасын өзгертуге арналған басқару байланыстары төменгі ротор жүйесі арқылы өтуі тиіс. Коаксиалды конструкцияның мысалы – Sikorsky Skyraider X тікұшағы, оның құйрық бөлігінде сонымен қатар итеруші винт орналасқан.

Араласқан

Вертолеттегі өріліс роторлар – қарама-қарсы бағытта айналатын екі ротордың жиынтығы, әр ротордың тірегі біріне шалқақ бұрышпен орнатылған, соның салдарынан қанаттар соқтығыспай бірімен бірі өріледі. Бұл конфигурация кейде синхроптер деп аталады. Өріліс роторлар жоғары тұрақтылыққа және күшті көтеру қабілетіне ие. Бұл жүйе 1939 жылы нацистік Германияда Антон Флетнердің табысты Flettner Fl 265 үлгісімен алғаш рет қолданылды, кейіннен Flettner Fl 282 Kolibri үлгісі шектеулі өндіріске енгізілді, оны неміс Кригсмаринесі шағын санымен (24 корпус өндірілді) тәжірибелік жеңіл суастына қарсы күрес тікұшағы ретінде пайдаланды. Суық соғыс кезеңінде америкалық Kaman Aircraft компаниясы АҚШ Әуе күштері үшін HH 43 Huskie тікұшағын өндірді, ол өрт сөндіру және құтқару миссияларында қолданылды. Kaman K MAX – Kaman компаниясының соңғы үлгісі, ол арнайы аспан кран ретінде құрастырылған.

Көлденең

Көлденең роторлар қанаттардың ұшына немесе корпусына перпендикуляр орнатылады. Тандемдік және араласатын роторлар сияқты, көлденең ротор да дифференциалдық ұжымдық қадамды пайдаланады. Алайда, араласатын роторлар сияқты, көлденең роторлар да роторлық ұшқыштың еңкею бұрышын өзгерту үшін осы принципті қолданады. Бұл конфигурация алғашқы қолданысқа жарамды екі тікұшақта – Focke Wulf Fw 61 және Focke Achgelis Fa 223-та, сондай-ақ әлемдегі ең ірі тікұшақ Mil Mi 12-де кездеседі. Бұл конфигурация Bell Boeing V 22 Osprey және AgustaWestland AW609 сияқты қос осты роторлы ұшқыштарда да қолданылады.

Гексакоптерлер мен мультироторлар және eVTOL

Гексакоптер – ұшқышсыз ұшақ-вертолеттердің танымал конфигурациясы, және көп роторлы дрондарды басқару және олардың басқаруын жақсарту жолдары зерттелді. Октакоптер конфигурациясы, әсіресе, НАСА-ның Сатурнның Ай Титаны атмосферасында ұшуға жоспарланған Dragonfly зондында қолданылады. 2010 жылдары ұшқан көп роторлы пилотты тікұшақтың 18 электрлік роторы болды; бір орындық ұшақ батареямен жұмыс істейді. Электрмен жұмыс істейтін көп роторлы тікұшақ болып танылатын, адам басқаратын алғашқы аэробатикалық дрон 12 роторлы және 1-2 адамды тасымалдай алатын болды. Адам басқаратын дрондар немесе eVTOL, олар батареямен жұмыс істейтін көп роторлы конструкциялар, 2020 жылдары үлкен танымалдыққа ие болып, көптеген жобалар пайда болды. Кейбір жобалардың атаулары әлі толыққанды бекітілмеген, eVTOL атауы жиі қолданылады, сондай-ақ адам басқаратын дрон, тіпті ұшатын көлік немесе кейбір жағдайларда әуе таксисі де қолданылады.

Шектеулер мен қауіптер

Вертолеттерге қатысты қауіп-қатерлердің мысалдары, құстардың соғылуы сияқты ұшақтарға тән қауіптерді қамтиды, бірақ вертолеттің конструкциясына және жағдайларға байланысты тағы да бірнеше қауіптер бар. Бұл, тек солармен ғана шектелмейді: динамикалық аударылу, жердің резонансы, құйрық роторының тиімділігінің жоғалтылуы, артқа шегінуші қанаттың тоқтауы, динамикалық тоқтау, вихрь сақинасының күйі, серво мөлдірлігі, муст соққысы және құйрық соғылуы. Бас ротор вертолетті ауада ұстау үшін өте маңызды болғандықтан, оған кез келген зақым келтіру қатаң салдарға әкелуі мүмкін. Вертолеттердің қанаттары әдетте ең алыс бөлігі болғандықтан, формацияда ұшқанда қанаттарының немесе құйрық роторларының бір-біріне немесе қоршаған ортаға тимеуіне сақтану керек.

Масттың соқтығысуы, ротор-баудың соқтығысуы және құйрықтың соқтығысуы

1960 жылдардың соңында АҚШ армиясы белгілі бір аэродинамикалық жағдайларда басты ротордың тікұшақтың құйрығына соқтығысу қаупін анықтады. Әсіресе, төмен G күшінің әсерінен вертолеттің салмағы негізгі ротордан азат болған кезде. Мұндай жағдайда, басқару элементтеріне берілетін командалар қауіпті жағдай тудыруы немесе оны жоюға мүмкіндік беруі мүмкін. Атап айтқанда, роторлары серпілісті (teetering) болатын тікұшақтар – мысалы, Bell, Robinson және басқалардың екі қанатты жүйелері – төмен G күшіне ұшырауға болмайды, себебі мұндай ротор жүйелері фюзеляждың кеңістіктегі орналасуын бақыламайды. Бұл фюзеляждың инерция және құйрық роторының итермелеуімен басқарылатын кеңістіктегі орналасуына алып келуі мүмкін, нәтижесінде құйрық бумы басты ротордың айналу жазықтығымен қиылысып немесе қанаттардың түбірі басты ротордың жетек білігіне соқтығысып, қанаттардың орталық бөліктен ажырауына (маст соқтығысуы) себеп болуы мүмкін. 2020 жылдары Робинсон R66 тікұшағы үшін мұндай апаттардың ықтималдығын азайту үшін жаңа құйрық қанатшасын (empennage) жасады. Басты ротордың құйрығымен соқтығысуға тағы бір мысал – EC120 тікұшағы, ол авторотация жаттығулары кезінде қатты қону салдарынан өз құйрығын кесіп алды. Тікұшақтар, әсіресе таныс емес қону алаңдарында жерге жақын болғанда, құйрық бумының айналасына соқтығысуына осал болуы мүмкін.

Құмды ортадағы абразия

Құмды ортада жұмыс істегенде, қозғалатын ротор қанаттарына құм тиіп, олардың бетін тоздырады. Бұл роторларға зақым келтіріп, ауыр және қымбат жөндеу мәселелерін тудырады. Вертолет роторларының қорғағыш жолақтары металдан жасалады, көбінесе титан немесе никельден, олар өте қатты, бірақ құмнан кем қатты. Вертолет шөлді жерлерде жерге жақын ұшқанда, құм ротор қанатына тиіп, тозуға себеп болуы мүмкін. Түнде металл қорғағыш жолағына құм тигенде, ротор қанаттарының айналасында көзге көрінетін корона немесе шұғыла пайда болады. Бұл эффект тозып кеткен бөлшектердің өртке оңай тұтанатын тотығуынан және құм бөлшектерімен соқтығысқанда фотолюминесценция тудыратын триболюминесценциядан пайда болады. Фотограф және журналист Майкл Йон Ауғанстанда АҚШ әскерімен бірге жүргенде осы құбылысты байқаған. Ол бұл құбылысқа есім берілмегенін білген соң, соғыста қаза тапқан екі сарбаздың – американдық және британдық сарбаздың есімімен Копп-Эчеллс эффекті деп атады.

Тарих

Роторды тік ұшу үшін қолдану б.з.д. 400 жылдан бері бамбуктан жасалған, ежелгі қытайлық ойыншық түрінде кездеседі. Бамбук вертолеті роторға бекітілген таяқты айналдыру арқылы қозғалады. Айналу көтеру күшін жасайды, ал ойыншық босатылғанда ұшады. Леонардо да Винчи су бұрандасының принципіне негізделген роторы бар «әуе бұрандасы» деп аталатын машинаны жобалады. Ресейлік ғалым Михаил Ломоносов қытайлық ойыншыққа ұқсас ротор жасады. Француз табиғаттанушысы Кристиан де Лауной роторын түйе қауырсынынан жасады. 20-шы ғасырдың ортасында практикалық қуатты тікұшақтарды жасауға дейін, автогироның негізін қалаушы Хуан де ла Сиерва роторлық қанаттардың көптеген негізгі принциптерін зерттеді және дамытты. Де ла Сиерва көп қабатты, толық буынды ротор жүйелерін сәтті жасағаны үшін мақталады. Бұл жүйелер, әртүрлі өзгертілген түрлерінде, қазіргі заманғы көп қабатты тікұшақ ротор жүйелерінің негізін құрайды. Автогиро бойынша жұмыс тікұшақтарды талдаудың негізін қалайды. Бір көтергіш роторлы тікұшақ конструкциясының алғашқы сәтті әрекеті төрт қанатты негізгі роторды пайдаланды, оны 1930 жылдардың басында Мәскеу маңындағы ЦАГИ (Орталық Аэрогидродинамикалық Институт) қызметкерлері, советтік авиация инженерлері Борис Н. Юрьев және Алексей М. Черемухин жасады. Олардың ЦАГИ 1 EA тікұшағы 1931-1932 жылдары төмен биіктікте сынақтан өтті, ал 1932 жылдың тамыз айының ортасына қарай Черемухин оны 605 метрге дейін көтерді. 1930 жылдары Артур Янг екі қанатты ротор жүйелерінің тұрақтылығын тұрақтандырғыш таяқшаны енгізу арқылы жақсартты. Бұл жүйе бірнеше Bell және Hiller тікұшақтарында қолданылды. Hiller жүйесінің нұсқасы, флайбардың ұштарында аэродинамикалық қанатшаларды пайдаланады және 1970 жылдардан бастап 21-ші ғасырдың басына дейін көптеген алғашқы қашықтан басқару модельдерінде қолданылды. 1940 жылдардың соңында, тікұшақ роторларының қанаттарын жасау Джон Т. Парсонсты сандық басқарудың (NC) пионері болуға шабыс тартты. NC және CNC (компьютерлік сандық басқару) кейіннен барлық машина жасау саласына әсер еткен маңызды жаңа технология болып шықты.