Введение
Вертолет с двумя наборами лопастей ротора, расположенных друг над другом.
Коаксиальный вертолет – это летательный аппарат, у которого роторы установлены один над другим на коаксиальных валах, имеющих общую ось вращения, но вращающихся в противоположных направлениях (встречно вращающихся). Такая компоновка ротора является характерной особенностью вертолетов, производимых российским конструкторским бюро Камова.
История
Идея коаксиальных роторов принадлежит Михаилу Ломоносову. В июле 1754 года он разработал небольшую модель вертолета с коаксиальными роторами и продемонстрировал её в Российской академии наук. В 1859 году Британское патентное ведомство выдало первый патент на вертолет Генри Брайту за его коаксиальную конструкцию. С этого момента коаксиальные вертолеты развивались в полностью функциональные машины, которые мы знаем сегодня. Два первых образца, вертолет Corradino D'Ascanio, построенный в 1930 году, и более успешный французский Gyroplane Laboratoire середины 1930-х годов, использовали коаксиальные роторные системы для полета.
Относительно конструкции
Наличие двух коаксиальных наборов роторов обеспечивает симметрию сил вокруг центральной оси при подъеме аппарата и в боковом направлении при полете в любом направлении. Из-за механической сложности многие конструкции вертолетов используют альтернативные схемы, чтобы избежать проблем, возникающих при использовании только одного несущего винта. Распространенными альтернативами являются одновинтовые вертолеты или вертолеты с тандемной схемой роторов.
крутящий момент
Одной из проблем, связанных с любым набором лопастей ротора, является крутящий момент (вращающая сила), воздействующий на фюзеляж вертолета в направлении, противоположном вращению лопастей. Этот крутящий момент вызывает вращение фюзеляжа в направлении, противоположном вращению лопастей. В однороторных вертолетах антикрутящий или хвостовой ротор компенсирует крутящий момент несущего ротора и управляет вращением фюзеляжа. Коаксиальные роторы решают проблему крутящего момента несущего ротора, вращая каждую пару роторов в противоположных направлениях. Вращающие моменты от роторов взаимно нейтрализуются. Ротационное маневрирование, управление рысканием, достигается за счет увеличения шага несущих винтов одного ротора и уменьшения шага несущих винтов другого. Это создает контролируемую асимметрию крутящего момента.
Диссиметрия подъема
Диссиметрия подъёмной силы — это аэродинамическое явление, вызванное вращением роторов вертолёта в полёте вперёд. Лопасти ротора создают подъёмную силу, пропорциональную количеству воздуха, обтекающего их. Если смотреть сверху, лопасти ротора движутся в направлении полёта в течение половины оборота (набегающая часть), а затем в противоположном направлении в течение оставшейся половины оборота (отступающая часть). Лопасть ротора создаёт большую подъёмную силу на набегающей части. Когда лопасть движется в направлении полёта, поступательное движение вертолёта увеличивает скорость воздуха, обтекающего лопасть, пока она не достигнет максимума, когда лопасть перпендикулярна встречному потоку воздуха. В то же время лопасть ротора на отступающей части создаёт меньшую подъёмную силу. По мере того как лопасть удаляется от направления полёта, скорость воздушного потока над лопастью уменьшается на величину, равную скорости полёта вертолёта, достигая максимального эффекта, когда лопасть ротора снова становится перпендикулярной встречному потоку воздуха. Соосные роторы устраняют эффект диссиметрии подъёмной силы за счёт использования двух роторов, вращающихся в противоположных направлениях, что обеспечивает одновременное набегание лопастей с обеих сторон.
Другие льготы
Еще одно преимущество коаксиальной схемы – увеличение полезной нагрузки при той же мощности двигателя. Обычно хвостовой винт расходует часть доступной мощности двигателя, которая в коаксиальной схеме была бы полностью направлена на подъемную силу и тягу. Главным достоинством этой конфигурации является снижение уровня шума: характерный громкий хлопающий звук обычных вертолетов возникает из-за взаимодействия воздушных потоков от несущего и хвостового винтов, которое в некоторых конструкциях может быть весьма интенсивным. Кроме того, вертолеты с коаксиальными винтами, как правило, более компактны (занимают меньшую площадь на земле), хотя и имеют большую высоту. Это делает их полезными в условиях ограниченного пространства; ряд разработок КБ Камова используются в морских операциях, поскольку способны взлетать и садиться с ограниченных площадок на палубах кораблей, включая корабли, не являющиеся авианосцами (например, крейсеры класса «Кара» российского флота, которые несут вертолет Ка-25 «Гормон» в составе штатного оборудования). Еще одним преимуществом является повышенная безопасность на земле: отсутствие хвостового винта устраняет основной источник травм и гибели людей среди наземного персонала и посторонних.
Недостатки
Уровень механической сложности роторного узла возрос. Рычаги и роторные площадки для двух роторных систем необходимо собирать поверх мачты, что усложняется необходимостью вращения двух роторов в противоположных направлениях. Из-за большего числа движущихся частей и повышенной сложности коаксиальная роторная система более подвержена механическим неисправностям и потенциальным отказам. По мнению критиков, коаксиальные вертолеты также более склонны к "хлысту" лопастей и самостолкновению лопастей.
Коаксиальные модели
Благодаря присущей системе стабильности и быстрому отклику на управление, она подходит для использования в небольших радиоуправляемых вертолетах. Эти преимущества достигаются за счет ограниченной скорости полета вперед и повышенной чувствительности к ветру. Эти два фактора особенно ограничивают использование на открытом воздухе. Такие модели обычно имеют фиксированный шаг (то есть, лопасти не могут изменять угол атаки путем вращения на своих осях), что упрощает конструкцию, но исключает возможность компенсации изменением общего шага. Даже незначительный порыв ветра может заставить модель подниматься вверх, а не лететь вперед, даже при максимальном отклонении циклическим шагом.
Коаксиальные многороторные двигатели
Многороторные беспилотные летательные аппараты существуют в многочисленных конфигурациях, включая дуокоптер, трикоптер, квадрокоптер, гексакоптер и октокоптер. Все они могут быть модернизированы до коаксиальной конфигурации для повышения стабильности и увеличения времени полета, а также для возможности перевозки большей полезной нагрузки без существенного увеличения веса. Коаксиальные мультироторы создаются путем установки двух двигателей на каждом луче, направленных в противоположные стороны (один вверх и один вниз). Благодаря коаксиальной конфигурации возможно создание квадро- и октороторных рам. Дуокоптеры характеризуются двумя двигателями, расположенными на одной вертикальной оси. Управление осуществляется путем изменения скорости вращения лопастей одного из роторов для создания необходимой тяги. Большая подъемная сила, позволяющая перевозить большую полезную нагрузку, объясняет, почему коаксиальные мультироторы предпочтительны практически во всех коммерческих применениях БПЛА, требующих перевозки тяжелых грузов.