Вертолёты и автожиры

Около 1500 года Леонардо да Винчи изобразил проект вертолёта с ротором, приводимым в движение вручную. Позднее другие изобретатели разработали летающие модели, оснащённые двигателями. Но первые вертолёты, представлявшие практический интерес, появились только в 30-е годы XX века.

Для того, чтобы удерживаться в воздухе, обычным летательным аппаратам необходимо двигаться вперёд. Движение крыла сквозь воздух создаёт силу, которая противоположна направленной вниз силе притяжения. Вертолёты же могут оставаться в воздухе без движения вперёд, поскольку подъёмная сила создаётся за счёт вращения их крыльев. Так же, как у летательных аппаратов с неподвижным крылом, подъёмная сила создаётся потоком воздуха, огибающего поверхности крыла.

Узкие крылья вертолёта называются лопастями. Вращение комплекту лопастей, называемому ротором, сообщается двигателем. А вот у авто-жира пропеллер двигает летательный аппарат вперед и возникающий при этом поток воздуха заставляет ротор вращаться, как ветряную мельницу. Как и у вертолёта, это вращение создаёт необходимую подъёмную силу.

При зависании вертолёта подъёмная сила равняется его массе. Чтобы вертолёт набирал высоту, увеличение подъёмной силы достигается путём увеличения угла передней кромки лопастей по отношению к горизонтали, называемого углом атаки. Для одновременного увеличения угла атаки всех лопастей пилот использует рычаг, называемый сборным переключателем шага. При снижении подъёмная сила уменьшается путём уменьшения угла атаки.

Направление движения

При горизонтальном полёте вперёд ротор немного наклоняется вперёд, чтобы не только обеспечивать подъёмную силу, но и двигать вертолёт по воздуху. Для того, чтобы ротор наклонился вперёд, угол атаки каждой из лопастей увеличивается, когда они оказываются сзади, и уменьшается - впереди. В результате подъёмная сила возрастает сзади и уменьшается спереди, наклоняя ротор вперёд.

Ротор может наклоняться и в других направлениях, заставляя вертолёт двигаться назад или в стороны. Например, для движения вправо подъемная сила увеличивается слева, наклоняя ротор вправо. Пилот управляет наклоном ротора при помощи рычага циклического шага.

Когда висящий вертолёт начинает двигаться вперёд, он может наклоняться на один бок. Это происходит от того, что за счёт потока воздуха навстречу вертолёту повышается скорость отно­сительно воздуха лопасти, вращающейся вперёд, в то время как скорость лопасти, вращающейся назад, уменьшается. Таким образом, подъёмная сила обычно больше с одного борта вертолёта и меньше - с другого. Для преодоления этой проблемы лопасти кренятся па шарнирах, что делает их более гибкими и заставляет слегка изгибаться к верху при вращении вперёд. Это приводит к уменьшению подъёмной силы и противодействует её увеличению вследствие повышения скорости лопастей относительно воздуха. В результате вертолёт не подвергается нежелательному наклону.

Стабилизация

В полёте однороторный вертолет имеет тенденцию к медленному обращению вокруг своей вертикальной оси. Это объясняется третьим законом Ньютона, в котором утверждается, что на всякое действие есть равное по силе противодействие. Иными словами, когда вертолёт сообщает силу (действие) ротору, вращая его, ротор в свою очередь будет сообщать противоположно направленную силу (противодействие) вертолёту. Поскольку вертолёт относительно тяжелее, он будет обращаться медленно, однако вращающей силе, всё равно необходимо противопоставить другую, компенсирующую силу.

Большинство вертолётов имеют один основной ротор и комплект небольших вертикально расположенных лопастей - противовращательный ротор. Он обеспечивает горизонтальную вращающую силу, которая гасит крутящий мо-мент вследствие вращения основного ротора, таким образом стабилизируя вертолёт.

Изменение тяги противовращателыюго ротора обеспечивает изменение направления дви­жения. Это достигается изменением угла атаки лопастей, что снижает тягу и позволяет верто­лёту повернуться в направлении, противоположном вращению основного ротора. Увели­чение угла и тяги поворачивает вертолёт в направлении вращения основного ротора.

Отказ двигателя

В случае отказа двигателя, вращение основного ротора замедляется, и он уже не в состоянии обеспечивать необходимую подъёмную силу. Однако, вертолёт можно безопасно посадить при помощи процедуры, называемой авторотацией. Пилот опускает сборный переключатель шага, вследствие чего кромка лопастей слегка накреняется вниз. При снижении вертолета воздух, огибающий лопасти, продолжает вращать их в нужном направлении. Затем, когда вертолёт приближается к земле, пилот снова приподнимает кромку лопастей, чтобы обеспечить подъёмную силу, достаточную для замедления снижения перед посадкой.