Пилотирование вертолета

Если все точки крыла самолета встречают поток воздуха, имеющий одну и ту же скорость, то элементы лопасти вращающегося несущего винта вертолета обтекаются воздухом с различной скоростью. Величину окружной скорости элемента лопасти можно определить по формуле

V_{окр. эл} = n∙2π∙R_э/60

где V_{окр. эл} — окружная скорость элемента лопасти в м/сек;

n — число оборотов несущего винта в минуту;

R_э — радиус положения элемента лопасти в м.

Однако окружная скорость на конце лопасти несущего винта вертолета не должна превышать 0,7–0,8 скорости звука, т. е. 220–270 м/сек, так как при большей скорости резко возрастают потери на винте, а следовательно, уменьшается его коэффициент полезного действия.

Вместе с тем очень выгодно иметь несущие винты наибольшего диаметра, так как при этом резко возрастает их коэффициент полезного действия вследствие увеличения площади, ометаемой лопастями, и уменьшения нагрузки на квадратный метр этой площади.

Если у самолетов важно сохранять в определенных пределах нагрузку на квадратный метр площади крыла, которая определяется по формуле

p = G_пол/S_кр,

где р — нагрузка на площадь крыла в кг/м²;

G_пол — полетный вес самолета в кг;

S_кр — площадь крыла самолета в м²,

то у вертолетов принято определять нагрузку на квадратный метр ометаемой несущим винтом площади, которая равна

p = G_пол/π∙R²∙K

где р — нагрузка на ометаемую площадь в кг/м²;

G_пол — полетный вес вертолета в кг;

R — радиус несущего винта в м;

К — коэффициент, равный 0,9 ÷ 0,92.

Следует иметь в виду, что при определении нагрузки на ометаемую винтом площадь необходимо брать не геометрическую F_геом, а эффективную F_эф площадь винта, которая меньше геометрической вследствие потерь на несущем винте. Комлевые потери несущего винта происходят из-за малых скоростей элементов лопастей у комля, а также из-за того, что середина винта занята втулкой. Концевые потери возникают за счет волнового сопротивления концевой части лопасти и перетекания потока у конца снизу вверх. Отношение эффективной площади несущего винта к его геометрической площади равно

K = F_эф/F_геом  = 0,9 ÷ 0,92

Обычно на хорошо летающих вертолетах нагрузка на квадратный метр ометаемой винтом площади имеет следующие значения:

— для легких вертолетов — 11–15 кг/м²;

— для тяжелых вертолетов — 18–23 кг/м².

Диаметр несущих винтов на двух-трехместных вертолетах достигает 10–15 м, на средних вертолетах — 17–20 м, а на тяжелых вертолетах — 20–25 м и более.

Отношение площади всех лопастей несущего винта к ометаемой площади принято называть коэффициентом заполнения (σ), величина которого у современных вертолетов колеблется в пределах 0,03—0,08.

У всех, кто в первый раз видел вертолет с остановленным несущим винтом, закрадывалось сомнение: могут ли узкие и гибкие лопасти несущего винта, на вид такие непрочные, быть надежной опорой для такой тяжелой машины, как вертолет, тем более что они закреплены на втулке винта не жестко, а при помощи шарниров.

Однако эти опасения совершенно неосновательны.

Лопасть неподвижного несущего винта вертолета очень гибка. Опираясь на нижний упор втулки под действием только своего веса, она, сильно изогнувшись, свешивается вниз.

В таком состоянии она не способна удержать вес даже одного человека. Зато лопасть вращающегося несущего винта, растянутая огромной центробежной силой, которая на рассматриваемом вертолете достигает 9 г, а на тяжелых вертолетах может превышать 20 т, превращается в прочное, упругое и надежное крыло.

Схемы сил, действующих на одну из лопастей несущего винта в вертикальной плоскости и плоскости вращении, приведены на рис. 32; на векторах сил указаны примерные их значения, так как изображение их в одном масштабе потребовало бы большого размера рисунка.

Рис. 32.Схема сил, действующих на лопасть несущего винта вертолета:

_{1 — подъемная сила; 2 — сила веса лопасти; 3 — центробежная сила; 4 — кориолисовы силы}

Угол β называется углом конусности и для каждого типа вертолета зависит в основном от оборотов несущего винта и полетного веса вертолета. Следует напомнить, что, как показали специальные летные исследования, более гибкая лопасть несущего винта и в то же время достаточно жесткая на кручение испытывает в полете меньшие напряжения, имея большее аэродинамическое качество, чем такая же, но более жесткая лопасть.

Кроме того, известно, что аэродинамическое качество лопасти в сильной степени зависит от состояния ее поверхности, формы в плане и геометрической закрутки. Чем глаже поверхность лопасти, тем выше ее качество. Трапециевидные в плане лопасти, так же как крылья самолета, с сужением 2–2,5 и с отрицательной на конце геометрической закруткой имеют качество на 10–12 % выше, чем прямоугольные в плане незакрученные лопасти (рис. 33).