Введение

Основные роторные системы вертолёта

В вертолёте основной ротор или роторная система представляет собой комбинацию нескольких вращающихся крыльев (лопастей ротора) и системы управления, создающих аэродинамическую подъёмную силу, поддерживающую вес вертолёта, и тягу, компенсирующую аэродинамическое сопротивление при полёте вперёд. Каждый основной ротор устанавливается на вертикальной мачте над вертолётом, в отличие от хвостового ротора, который соединяется посредством комбинации приводных валов и редукторов вдоль хвостовой балки. Угол установки лопастей обычно регулируется пилотом с помощью органов управления вертолётом. Вертолёты являются одним из примеров летательных аппаратов с несущим винтом (роторкрафтов). Название происходит от греческих слов helix, helik, означающих спираль, и pteron, означающих крыло.

Обзор

Ротор вертолета приводится в движение двигателем через трансмиссию к вращающейся мачте. Мачта представляет собой цилиндрический металлический вал, который поднимается вверх от и приводится в движение трансмиссией. На вершине мачты находится точка крепления (в разговорной речи называемая "гайкой Иисуса") для лопастей ротора, называемая ступицей. Затем лопасти ротора крепятся к ступице, и сопротивление ступицы может быть в 10-20 раз больше, чем у лопасти. Системы главных роторов классифицируются в зависимости от способа крепления и движения главных лопастей ротора относительно ступицы главного ротора. Существует три основные классификации: жесткая, полужесткая и шарнирная, хотя некоторые современные роторные системы используют комбинацию этих классификаций. Ротор – это точно настроенная вращающаяся масса, и различные незначительные регулировки уменьшают вибрации при разных скоростях воздушного потока. Роторы предназначены для работы с фиксированной частотой вращения (в узком диапазоне в несколько процентов), но некоторые экспериментальные самолеты использовали роторы с переменной частотой вращения. В отличие от вентиляторов малого диаметра, используемых в турбовентиляторных двигателях, главный ротор вертолета имеет большой диаметр, что позволяет ему разгонять большой объем воздуха. Это обеспечивает меньшую скорость нисходящего потока при заданной тяге. Поскольку на низких скоростях эффективнее разгонять большой объем воздуха на небольшую величину, чем малый объем воздуха на большую величину, эффективность зависания ("коэффициент полезного действия") типичного вертолета составляет около 60%. Внутренняя треть длины лопасти ротора вносит очень небольшой вклад в подъемную силу из-за ее низкой скорости воздушного потока.

Клинки

Лезвия вертолета – это длинные узкие аэродинамические профили с высоким удлинением, форма которых минимизирует сопротивление, создаваемое концевыми вихрями (для сравнения см. крылья планеров). Как правило, они имеют профиль с уменьшением угла атаки к концу, что снижает подъемную силу на концах, где воздушный поток наиболее быстрый и образование вихрей представляет серьезную проблему. Лопасти ротора изготавливаются из различных материалов, включая алюминий, композитные материалы, а также сталь или титан, с защитой от абразивного износа по передней кромке. Лопасти вертолета традиционно являются пассивными, однако некоторые вертолеты оснащаются активными элементами на лопастях. Kaman K MAX использует закрылки на задней кромке для управления углом установки лопасти, а Hiller YH 32 Hornet был оснащен прямоточными воздушно-реактивными двигателями, установленными на концах лопастей. По состоянию на 2010 год ведутся исследования по активному управлению лопастями с помощью закрылков на задней кромке. Концы некоторых лопастей вертолета могут иметь специальную конструкцию для снижения турбулентности и шума, а также для повышения эффективности полета. Примером такой конструкции являются законцовки роторов BERP, разработанные в рамках британской экспериментальной программы роторов.

Полностью скрещенные

Хуан де ла Сиерва разработал полностью шарнирный ротор для автожира. Основа его конструкции позволила успешно разработать вертолет. В полностью шарнирной системе ротора каждая лопасть прикреплена к втулке ротора через серию шарниров, позволяющих лопасти двигаться независимо от других. Эти роторные системы обычно имеют три или более лопастей. Лопасти могут отклоняться вверх и вниз, изменять угол атаки и опережать или отставать независимо друг от друга. Горизонтальный шарнир, называемый шарниром отклонения, позволяет лопасти двигаться вверх и вниз. Это движение называется отклонением и предназначено для компенсации асимметрии подъемной силы. Шарнир отклонения может располагаться на различном расстоянии от втулки ротора, и может быть более одного шарнира. Вертикальный шарнир, называемый шарниром опережения или шарниром задержки, позволяет лопасти двигаться вперед и назад. Это движение называется опережением, задержкой или «охотой». Обычно используются демпферы для предотвращения чрезмерного движения вперед и назад вокруг шарнира задержки. Цель шарнира задержки и демпферов – компенсировать ускорение и замедление, вызванные разницей в сопротивлении, испытываемом лопастями при движении вперед и назад. В более поздних моделях от традиционных подшипников перешли к эластомерным подшипникам. Эластомерные подшипники обладают естественной отказоустойчивостью, а их износ постепенный и заметный. Контакт металла о металл в старых подшипниках и необходимость смазки исключены в этой конструкции. Третий шарнир в полностью шарнирной системе называется шарниром изменения шага, расположенным вокруг оси изменения шага. Этот шарнир отвечает за изменение угла установки лопастей ротора, вызванное воздействием на органы управления шагом (коллективным или циклическим шагом). Вариацией полностью шарнирной системы является мягкая роторная система с шарнирами в плоскости вращения. Этот тип ротора можно встретить на нескольких летательных аппаратах, производимых Bell Helicopter, таких как OH 58D Kiowa Warrior. Эта система аналогична полностью шарнирной системе тем, что каждая лопасть может опережать/отставать и «охотиться» независимо от других лопастей. Разница между полностью шарнирной системой и мягкой системой с шарнирами в плоскости вращения заключается в том, что мягкая система использует композитное ярмо. Это ярмо прикреплено к мачте и проходит через головки лопастей между лопастями и сферическим подшипником внутри головки. Это ярмо передает некоторое движение от одной лопасти к другой, обычно противоположным лопастям. Хотя эта система не является полностью шарнирной, летные характеристики очень похожи, а время и стоимость обслуживания снижены.

Жесткий

Термин "жесткий ротор" обычно относится к системе ротора без шарниров, с лопастями, гибко прикрепленными к втулке. Ирв Калвер из Lockheed разработал один из первых жестких роторов, который был испытан и доработан на серии вертолетов в 1960-х и 1970-х годах. В системе жесткого ротора каждая лопасть совершает взмахи и тянущие движения за счет гибких участков у основания. Система жесткого ротора механически проще, чем полностью шарнирная система ротора. Аэродинамические и механические нагрузки от взмахов и сил, возникающих при опережении и отставании, компенсируются за счет изгиба лопастей ротора, а не с помощью шарниров. Изгибаясь, лопасти сами компенсируют силы, для которых ранее требовались прочные шарниры. В результате получается роторная система с меньшей задержкой в управлении благодаря большому моменту, создаваемому втулкой. Таким образом, система жесткого ротора устраняет опасность удара лопастей о мачту, свойственную полужестким роторам.

Полужёсткий

Полужесткий ротор также может называться ротором с изменяемым углом наклона или ротором типа "качели". Эта система обычно состоит из двух лопастей, которые сходятся непосредственно под общим шарниром колебаний или шарниром "трепетания" на валу ротора. Это позволяет лопастям колебаться вместе в противоположных направлениях, подобно качелям. Такое расположение лопастей ниже шарнира колебаний, в сочетании с достаточным углом диэдра или углом конусности лопастей, минимизирует изменения радиуса центра масс каждой лопасти относительно оси вращения при вращении ротора, что, в свою очередь, снижает нагрузку на лопасти от сил опережения и отставания, вызванных эффектом Кориолиса. Для обеспечения достаточной гибкости и уменьшения вертикальных колебаний могут также использоваться дополнительные шарниры колебаний. Изменение угла установки лопастей осуществляется с помощью шарнира изменения шага, расположенного у основания лопасти, который позволяет изменять угол атаки лопасти.

Комбинация

Современные роторные системы могут использовать комбинированные принципы вышеупомянутых роторных систем. Некоторые роторные узлы включают гибкий узел, который позволяет лезвиям изгибаться (прогибаться) без необходимости использования подшипников или шарниров. Эти системы, называемые гибкими шарнирами (флексами), обычно изготавливаются из композиционных материалов. Эластомерные подшипники также могут использоваться вместо традиционных роликовых подшипников. Эластомерные подшипники изготавливаются из материала, подобного резине, и обеспечивают ограниченную подвижность, идеально подходящую для применения в вертолетах. Гибкие шарниры и эластомерные подшипники не требуют смазки и, следовательно, нуждаются в меньшем обслуживании. Они также поглощают вибрацию, что снижает усталость и увеличивает срок службы компонентов вертолета.

Площадка с отрезком

Контролирующие элементы изменяют шаг лопастей главного ротора циклически на протяжении всего вращения. Пилот использует это для управления направлением вектора тяги ротора, который определяет область диска ротора, где развивается максимальная тяга. Коллективный шаг изменяет величину тяги ротора, одновременно увеличивая или уменьшая тягу по всему диску ротора. Эти изменения шага лопастей контролируются наклоном, подъемом или опусканием роторного вкладыша с помощью органов управления полетом. Подавляющее большинство вертолетов поддерживают постоянную скорость вращения ротора (RPM) во время полета, оставляя угол атаки лопастей единственным средством регулирования тяги, создаваемой ротором. Роторный вкладыш состоит из двух концентрических дисков или пластин. Одна пластина вращается вместе с роторной мачтой, соединенная посредством нерабочих тяг, в то время как другая не вращается. Вращающаяся пластина также соединена с отдельными лопастями через тяги шага и рычаги шага. Не вращающаяся пластина соединена с тягами, которыми управляют органы управления пилотом – в частности, коллективным и циклическим управлением. Роторный вкладыш может перемещаться вертикально и наклоняться. Благодаря перемещению и наклону, не вращающаяся пластина управляет вращающейся пластиной, которая, в свою очередь, управляет шагом каждой отдельной лопасти.

Flybar (стабилизаторная пружина)

Несколько инженеров, среди которых Артур М. Янг в США и Дитер Шлютер в Германии, увлекавшийся радиоуправляемыми моделями самолетов, обнаружили, что устойчивость полета вертолетов можно обеспечить с помощью стабилизирующей планки, или флайбара. Флайбар имеет вес или лопасть (или и то, и другое для повышения устойчивости на небольших вертолетах) на каждом конце, чтобы поддерживать постоянную плоскость вращения. Благодаря механическим связям, стабильное вращение планки смешивается с движением общего шага, чтобы демпфировать как внутренние (управление), так и внешние (ветровые) силы, действующие на несущий винт. Это облегчает пилоту управление воздушным судном. Стенли Хиллер пришел к аналогичному методу улучшения устойчивости, добавив короткие, усеченные профили крыла, или лопасти, на каждом конце. Однако система "Rotormatic" Хиллера также передавала циклические команды управления на несущий винт, действуя как своего рода управляющий винт, а лопасти обеспечивали дополнительную устойчивость, гася воздействие внешних сил на винт. Роторная система Lockheed использовала гироскопический контроллер, аналогичный по принципу стабилизирующей планке Bell, но предназначенный для обеспечения устойчивости без участия рук и быстрой реакции безшарниковой роторной системы. В вертолетах с электродистанционным управлением или радиоуправляемых моделях (RC) микроконтроллер с гироскопическими датчиками и датчиком Вентури может заменить стабилизатор. Эта конструкция без флайбара имеет преимущество в простоте перенастройки и меньшем количестве механических деталей.

Замедленный ротор

Большинство вертолетных роторов вращаются с постоянной скоростью. Однако замедление ротора в определенных ситуациях может быть полезным. С увеличением скорости полета скорость вращения концевой части лопасти ротора в направлении движения вскоре приближается к скорости звука. Чтобы уменьшить эту проблему, скорость вращения ротора может быть снижена, что позволяет вертолету лететь быстрее. Для регулирования подъемной силы ротора на малых скоростях в традиционной конструкции угол атаки лопастей ротора уменьшается с помощью общего шага. Вместо этого замедление ротора может снизить сопротивление воздуха на данном этапе полета и, следовательно, повысить экономичность топлива.

Конфигурации ротора

Большинство вертолетов оснащены одним основным ротором, но для компенсации реактивного момента необходим отдельный ротор. Это достигается за счет использования рулевого ротора с изменяемым шагом или хвостового ротора. Именно такую конструкцию выбрал Игорь Сикорский для своего вертолета VS 300, и она стала общепринятым стандартом в вертолетостроении, хотя существуют и различные варианты конструкций. Если смотреть сверху, большинство американских вертолетов вращаются против часовой стрелки, в то время как французские и российские – по часовой стрелке. Другой тип летательных аппаратов с ротором – конвертоплан, который во время работы в режиме зависания имеет много общего с основным ротором вертолета.

Одноглавый ротор

При вертолете с одним главным несущим винтом, создание крутящего момента при вращении двигателя приводит к возникновению эффекта реакции, заставляющего корпус вертолета вращаться в направлении, противоположном вращению винта. Для компенсации этого эффекта необходимо использовать систему управления противодействующим моментом с достаточным запасом мощности, позволяющим вертолету сохранять заданный курс и осуществлять управление рысканием. Три наиболее распространенные системы, используемые в настоящее время, – это хвостовой винт, Fenestron компании Eurocopter (также называемый "фантейлом") и система NOTAR компании MD Helicopters. Важно также количество несущих винтов: многие вертолеты оснащены двумя винтами, расположенными в одну линию, а также существуют конфигурации с четырьмя винтами. Примером двухлопастного несущего винта является Bell 212, а четырехлопастной версией этого вертолета – Bell 412. Примером влияния количества лопастей является UH-72 (вариант EC145): модель A имела четыре лопасти, но в UH-72B их количество было увеличено до пяти, что позволило снизить вибрацию. Возможны и другие варианты количества лопастей, например, у крупного военного транспортного вертолета CH-53K главный несущий винт имеет семь лопастей.

Задний ротор

Хвостовой ротор – это небольшой ротор, установленный таким образом, чтобы вращаться вертикально или почти вертикально на конце хвостовой балки традиционного однороторного вертолета. Расположение и расстояние хвостового ротора от центра тяжести позволяют ему создавать тягу в направлении, противоположном направлению вращения несущего ротора, тем самым компенсируя крутящий момент, создаваемый несущим ротором. Хвостовые роторы проще, чем несущие, поскольку для изменения тяги требуется лишь изменение общего шага лопастей. Пилот регулирует шаг лопастей хвостового ротора с помощью педалей управления направлением, которые также обеспечивают управление по курсу, позволяя пилоту поворачивать вертолет вокруг своей вертикальной оси и, таким образом, изменять направление полета.

Вентилятор с каналом

Fenestron и FANTAIL – товарные знаки для воздухозаборника с канальным вентилятором, установленного на конце хвостовой балки вертолета и используемого вместо хвостового винта. Воздухозаборники с канальным вентилятором имеют от восьми до восемнадцати лопастей, расположенных с нерегулярным шагом, что обеспечивает распределение шума по разным частотам. Корпус интегрирован с обшивкой летательного аппарата и позволяет достигать высокой скорости вращения, благодаря чему воздухозаборник с канальным вентилятором может быть меньше по размеру, чем обычный хвостовой винт. Fenestron впервые был применен в конце 1960-х годов на втором экспериментальном образце SA 340 компании Sud Aviation и серийно производился на более поздней модели Aérospatiale SA 341 Gazelle. Помимо Eurocopter и его предшественников, воздухозаборник с канальным вентилятором также использовался в отмененном проекте военного вертолета RAH 66 Comanche армии США под названием FANTAIL.

Нотариус

NOTAR, аббревиатура от No Tail Rotor, – это система компенсации крутящего момента, которая исключает использование хвостового винта на вертолете. Хотя концепция потребовала времени для доработки, система NOTAR проста в теории и обеспечивает компенсацию крутящего момента аналогично тому, как крыло создает подъемную силу, используя эффект Коанды. Вентилятор с изменяемым шагом лопастей расположен в задней части фюзеляжа непосредственно перед хвостовой балкой и приводится в действие от главной передачи ротора. Для создания боковой силы, компенсирующей крутящий момент, создаваемый главным ротором, вращающимся против часовой стрелки (если смотреть сверху), вентилятор с изменяемым шагом лопастей нагнетает воздух низкого давления через два прорези на правой стороне хвостовой балки, заставляя струю от главного ротора обтекать хвостовую балку, создавая подъемную силу и, следовательно, компенсацию крутящего момента, пропорциональную объему воздушного потока от роторного следа. Это усиливается прямой струйной тягой, которая также обеспечивает управление рысканием, при наличии неподвижного хвостового оперения в конце хвостовой балки, включающего вертикальные стабилизаторы. Разработка системы NOTAR началась в 1975 году, когда инженеры Hughes Helicopters приступили к разработке концепции. Значительно модифицированный прототип впервые совершил полет в марте 1986 года и успешно завершил расширенную программу летных испытаний, подтвердив пригодность системы для дальнейшего применения в конструкции вертолетов. В настоящее время существует три серийных вертолета, использующих конструкцию NOTAR, все произведены MD Helicopters. Эта конструкция компенсации крутящего момента также повышает безопасность, устраняя возможность контакта персонала с хвостовым винтом. Предшественником этой системы можно считать британский вертолет Cierva W.9, созданный в конце 1940-х годов, который использовал вентилятор охлаждения поршневого двигателя для подачи воздуха через сопло, встроенное в хвостовую балку, для компенсации крутящего момента ротора.

Наклоны

Главный ротор может приводиться в движение кончиковыми струями. Такая система может питаться воздухом высокого давления, подаваемым компрессором. Воздух может смешиваться с топливом и сгорать в прямоточных реактивных двигателях, пульсирующих реактивных двигателях или ракетах. Хотя этот метод прост и устраняет реактивный момент, прототипы, которые были построены, менее экономичны, чем обычные вертолеты. За исключением роторов, приводимых в движение несгоревшим сжатым воздухом, очень высокий уровень шума является основной причиной, по которой роторы с кончиковыми струями не получили широкого распространения. Однако исследования по снижению шума продолжаются и могут помочь сделать эту систему жизнеспособной. Существует несколько примеров летательных аппаратов с роторами, приводимыми в движение кончиковыми струями. Percival P.74 был недостаточно мощным и не мог летать. Hiller YH 32 Hornet обладал хорошей подъемной силой, но в остальном демонстрировал плохие характеристики. Другие аппараты использовали вспомогательную тягу для горизонтального полета, чтобы кончиковые струи могли быть выключены, а ротор перешел в режим авторотации. Экспериментальные Fairey Jet Gyrodyne, 48-местные пассажирские прототипы Fairey Rotodyne и гиропланы McDonnell XV 1 успешно летали с использованием этого метода. Возможно, самым необычным проектом этого типа был роторный ракетный ATV Roton, который изначально проектировался для взлета с помощью ротора с ракетным двигателем на конце. Французский Sud Ouest Djinn использовал несгоревший сжатый воздух для привода ротора, что минимизировало шум и позволило ему стать единственным вертолетом с ротором, приводимым в движение кончиковыми струями, который поступил в серийное производство. Hughes XH 17 был оснащен ротором с кончиковыми струями, который остается самым большим ротором, когда-либо устанавливавшимся на вертолет.

Двойные роторы

Двойные роторы вращаются в противоположных направлениях для компенсации эффекта крутящего момента на летательный аппарат, без использования антикрутящего хвостового винта. Это позволяет направлять мощность, которая обычно расходуется на привод хвостового винта, на основные роторы, увеличивая подъемную силу. Существует три основных конфигурации, использующих эффект встречного вращения на вертолетах. Тандемные роторы – это два ротора, расположенные один за другим. Коаксиальные роторы – это два ротора, установленные один над другим на общей оси. Перекрещивающиеся роторы – это два ротора, установленные близко друг к другу под углом, достаточным для их перекрытия в верхней части аппарата. Еще одна конфигурация, применяемая на конвертопланах и некоторых ранних вертолетах, – поперечные роторы, где пара роторов устанавливается на концах крыловидной конструкции или расчалок.

Тандем

Тандемные роторы – это две горизонтальные основные роторные установки, расположенные одна за другой. Изменение тангажа (угла наклона) для ускорения и замедления вертолета достигается за счет изменения шага лопастей в цикле, известном как циклический шаг. Для наклона вперед и ускорения оба ротора увеличивают шаг лопастей в задней части диска и уменьшают в передней (циклический шаг), при этом сохраняя одинаковый крутящий момент на обоих роторах. Полет боком осуществляется путем увеличения шага лопастей с одной стороны и уменьшения – с другой. Управление рысканием достигается за счет противоположного циклического шага на каждом роторе. Для поворота вправо передний ротор наклоняется вправо, а задний – влево. Для поворота влево передний ротор наклоняется влево, а задний – вправо. Вся мощность роторов направлена на создание подъемной силы, и проще управлять изменениями центра тяжести по продольной оси. Однако это требует использования двух больших роторов вместо более распространенной схемы с одним большим несущим ротором и значительно меньшим хвостовым ротором. Boeing CH-47 Chinook – наиболее распространенный вертолет с тандемной схемой роторов.

Коаксиальный

Коаксиальные роторы – это пара роторов, установленных один над другим на общем валу и вращающихся в противоположных направлениях. Преимущество коаксиальной схемы заключается в том, что в горизонтальном полете подъемная сила, создаваемая набегающей частью каждого ротора, компенсирует отстающую часть другого, устраняя один из ключевых эффектов диссимметрии подъёмной силы – сваливание лопасти на отступающей стороне. Однако, коаксиальные роторы сопряжены с другими конструктивными сложностями. Система ротора имеет повышенную механическую сложность, поскольку требует систем управления и шарнирных пластин для двух роторных систем. Кроме того, из-за необходимости вращения роторов в противоположных направлениях, конструкция вала становится сложнее, а тяги управления изменением шага верхнего ротора должны проходить сквозь нижний ротор. Примером коаксиальной конструкции в составе композитного вертолета является Sikorsky Skyraider X, который также был оснащен толкающим винтом в хвостовой части.

Межсетевое соединение

Соосные роторы вертолета – это два ротора, вращающиеся в противоположных направлениях, каждый из которых установлен на вертолете под небольшим углом к другому, чтобы лопасти переплетались, не сталкиваясь. Эта конфигурация иногда называется синхроптером. Соосные роторы отличаются высокой устойчивостью и мощной подъемной силой. Первым этот тип роторов реализовал в 1939 году в нацистской Германии Антон Флеттнер со своим успешным проектом Flettner Fl 265, а затем он был запущен в ограниченное производство как Flettner Fl 282 Kolibri, который использовался немецким военно-морским флотом (Kriegsmarine) в небольшом количестве (было построено 24 экземпляра) в качестве экспериментального легкого противолодочного вертолета. Во время холодной войны американская компания Kaman Aircraft производила HH-43 Huskie для тушения пожаров и спасательных операций ВВС США. Последняя модель Kaman, Kaman K MAX, представляет собой специализированный кран-вертолет.

Поперечная

Поперечные роторы устанавливаются на концах крыльев или на дополнительных опорах перпендикулярно фюзеляжу воздушного судна. Подобно схемам с тандемными и перекрестными роторами, поперечный ротор также использует дифференциальный угол установки лопастей. Однако, как и в случае с перекрестными роторами, поперечные роторы применяют этот принцип для изменения крена летательного аппарата. Эта конфигурация использовалась в двух из первых работоспособных вертолетов – Focke Wulf Fw 61 и Focke Achgelis Fa 223, а также в крупнейшем в мире когда-либо построенном вертолете Mil Mi 12. Она также применяется в конвертопланах, таких как Bell Boeing V-22 Osprey и AgustaWestland AW609.

Гексакоптеры и многороторные и eVTOL

Гексакоптер – популярная конфигурация для беспилотных вертолетов-дронов, и изучались способы управления и улучшения контроля многороторных дронов. Конфигурация октокоптера используется, в частности, в планируемом зонде Dragonfly от NASA, предназначенном для полетов в атмосфере спутника Сатурна – Титана. Многороторный вертолет с экипажем, который летал в 2010-х годах, был оснащен 18 электрическими роторами; этот одноместный летательный аппарат работает от аккумуляторов. Первый пилотируемый аэробатический дрон, как называется этот тип многороторного вертолета с электрическим приводом, имел 12 роторов и мог перевозить одного-двух человек. Пилотируемые дроны или eVTOL, как их еще называют, обычно представляют собой многороторные конструкции с питанием от аккумуляторов, которые приобрели растущую популярность и получили развитие в 2020-х годах. Окончательное название некоторых конструкций еще не устоялось: часто используется eVTOL, а также термины «пилотируемый дрон» или даже «летающий автомобиль», а в некоторых случаях – «Air Taxi».

Ограничения и опасности

Примеры опасностей, с которыми сталкиваются вертолеты, включают в себя те, что распространены и для самолетов, такие как столкновения с птицами, но также и ряд других, зависящих от конструкции вертолета и условий полета. К ним относятся, но не ограничиваются: динамический переворот, резонанс земли, потеря управляемости хвостовым ротором, срыв потока на отступающей лопасти, динамический срыв, режим кольцевого вихря, проявление "прозрачности" сервопривода, касание лопастями земли (must bumping) и касание хвостовой балкой земли (tailstrike). Поскольку главный несущий винт жизненно важен для поддержания вертолета в воздухе, любое его повреждение может иметь катастрофические последствия. Так как концы лопастей обычно являются наиболее удаленными частями, вертолеты, летящие в строю, должны соблюдать осторожность, чтобы не касаться концами лопастей или хвостовыми винтами друг друга или окружающих объектов.

Удар мачты, столкновение ротора и бума, и удары хвоста

В конце 1960-х годов армия США выявила опасность столкновения несущего винта с хвостовой балкой вертолета в определенных аэродинамических условиях. Особенно это актуально в ситуациях, когда нагрузка на несущий винт снижается в условиях малой перегрузки (низкого G). В таких случаях управляющие воздействия могут создать опасную ситуацию, либо её можно будет устранить. В частности, вертолеты с шарнирными роторами – например, двухлопастные системы на вертолетах Bell, Robinson и других – не должны подвергаться воздействию малой перегрузки, поскольку такие роторные системы не контролируют ориентацию фюзеляжа. Это может привести к тому, что фюзеляж примет положение, определяемое импульсом и тягой хвостового винта, что вызовет пересечение хвостовой балкой плоскости описания концов несущих винтов или контакт основания лопастей с валом привода несущего винта, что приведет к разрушению крепления лопастей (удар по мачте). В 2020-х годах компания Robinson разработала новый хвостовой обтекатель для R66, чтобы снизить вероятность подобных аварий. Другим примером столкновения несущего и хвостового винтов является EC120, потерявший хвостовую балку при жесткой посадке, вызванной тренировкой в авторотации. Вертолеты могут быть уязвимы для удара хвостовой балки о препятствия, особенно при полетах на малой высоте в незнакомой местности.

Стерение в песчаных условиях

При работе в песчаной среде, песок, ударяющий о движущиеся лопасти ротора, вызывает эрозию их поверхности. Это может привести к повреждению роторов и создать серьезные и дорогостоящие проблемы с техническим обслуживанием. Защитные полосы на лопастях ротора вертолета изготавливаются из металла, часто титана или никеля, которые очень твердые, но менее твердые, чем песок. Когда вертолет летит на малой высоте над пустынной местностью, попадание песка в лопасть ротора может вызвать эрозию. Ночью, песок, ударяющий о металлическую защитную полосу, создает видимую корону или гало вокруг лопастей ротора. Этот эффект обусловлен пирофорным окислением эрозированных частиц и триболюминесценцией, когда удар о песчинки вызывает фотолюминесценцию. Военный фотограф и журналист Майкл Йон наблюдал этот эффект, сопровождая американских солдат в Афганистане. Обнаружив, что у этого явления нет названия, он предложил название "эффект Коппа-Этчеллса" в память о двух погибших на войне солдатах – американце и британце.

История

Использование ротора для вертикального полета известно с 400 года до н.э. в виде бамбукового вертолета – древней китайской игрушки. Бамбуковый вертолет приводится во вращение путем прокатывания палочки, прикрепленной к ротору. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летает при отпускании. Леонардо да Винчи спроектировал машину, известную как «воздушный винт», с ротором, основанным на конструкции водяного винта. Русский ученый Михаил Ломоносов разработал ротор, вдохновленный китайской игрушкой. Французский натуралист Кристиан де Лауной построил свой ротор из перьев индейки. До разработки практических вертолетов в середине XX века, пионер автожиростроения Хуан де ла Сиерва исследовал и разработал многие фундаментальные принципы роторного крыла. Де ла Сиерва считается создателем успешных многолопастных, полностью шарнирных роторных систем. Эти системы, в различных модифицированных формах, лежат в основе большинства современных многолопастных роторных систем вертолетов. Работа над автожиром стала основой для анализа вертолетов. Первая успешная попытка создания вертолета с одним несущим ротором использовала четырехлопастный главный ротор, разработанный советскими авиационными инженерами Борисом Н. Юрьевым и Алексеем М. Черемухиным, работавшими в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) под Москвой в начале 1930-х годов. Их вертолет ЦАГИ 1 EA смог совершать полеты на небольшой высоте в 1931–1932 годах, а к середине августа 1932 года Черемухин поднял его на высоту 605 метров. В 1930-х годах Артур Янг повысил устойчивость двухлопастных роторных систем, внедрив стабилизатор. Эта система использовалась в нескольких моделях вертолетов Bell и Hiller. Вариант системы Хиллера с использованием аэродинамических лопастей на концах флайбара применялся во многих ранних конструкциях моделей вертолетов с дистанционным управлением, начиная с 1970-х годов и вплоть до начала XXI века. В конце 1940-х годов изготовление лопастей вертолетного ротора вдохновило Джона Т. Парсонса стать пионером в области числового программного управления (ЧПУ). ЧПУ и CNC (компьютерное числовое управление) оказались важными новыми технологиями, которые впоследствии оказали влияние на все машиностроительные отрасли.