Как работает вертолёт

Вертолёт держится в воздухе на том же самом явлении, что и самолёт, - на подъёмной силе крыла. Разница в том, что крылу для работы нужен встречный поток, и самолёт добывает его, разгоняясь всем корпусом, а вертолёт крутит короткие крылья вокруг мачты. Лопасть несущего винта - это профилированное крыло, которое обтекается потоком независимо от того, движется ли сама машина. Отсюда и главная способность вертолёта: висеть на месте. А управление сводится к тому, чтобы менять угол, под которым лопасти встречают воздух, - причём по-разному в разных точках круга.

Винт - это вращающееся крыло

Сечение лопасти - профиль, у которого поток по верхней стороне проходит длиннее и быстрее, чем по нижней, из-за чего давление сверху оказывается ниже. Разность давлений и есть подъёмная сила. Величина её зависит от площади лопасти, плотности воздуха, квадрата скорости обтекания и угла атаки - того угла, под которым профиль встречает поток.

Из этого следуют два рычага. Скорость обтекания задаётся оборотами винта, и её как раз держат почти неизменной: обороты у вертолёта постоянны на всех режимах, потому что раскрутка и торможение тяжёлого винта заняли бы секунды, а управление должно быть мгновенным. Значит, остаётся угол атаки лопастей. Именно он и есть орган управления вертолётом, всё остальное - механика его изменения.

Концы лопастей не разгоняют выше примерно двухсот метров в секунду. Причина в звуковом барьере: к окружной скорости конца добавляется скорость полёта машины, и на наступающей лопасти сумма подбирается к скорости звука. Как только это происходит, сопротивление растёт скачком, а винт начинает шуметь и вибрировать. Из-за этого ограничения крупный винт вращается медленнее мелкого: у лёгких машин это порядка четырёхсот-пятисот оборотов в минуту, у тяжёлых - в разы меньше.

Как машина поднимается: общий шаг

Первый орган управления меняет угол установки всех лопастей одновременно и на одну и ту же величину. Пилот тянет рычаг вверх, тяга через механизм в втулке разворачивает каждую лопасть носком вверх, угол атаки растёт, тяга винта растёт, вертолёт идёт вверх. Опускает рычаг - угол уменьшается, машина снижается.

Тут есть тонкость, которая объясняет, почему вертолётом сложно управлять. Увеличение угла атаки увеличивает не только подъёмную силу, но и сопротивление вращению лопастей. Винт начинает тормозиться, обороты падают, а падение оборотов сразу уменьшает подъёмную силу - то есть съедает то, ради чего рычаг и тянули. Поэтому рычаг общего шага связан с управлением мощностью двигателя: подъём рычага одновременно добавляет топлива. На современных машинах это делает автоматика, удерживающая обороты винта постоянными сама.

Как он летит вперёд: автомат перекоса

Наклонить машину вперёд одной только тягой невозможно: винт тянет вдоль своей оси, а ось смотрит вверх. Значит, надо наклонить сам винт. Механически поворачивать мачту с работающим винтом никто не станет, поэтому поступают хитрее: заставляют каждую лопасть менять угол по мере обхода круга.

Делает это автомат перекоса. Он состоит из двух колец, надетых на вал: нижнее не вращается и связано с ручкой управления, верхнее вращается вместе с винтом и тягами соединено с лопастями. Кольца соединены подшипником, поэтому наклон нижнего немедленно передаётся верхнему, не мешая тому крутиться.

Дальше происходит главное. Если наклонить кольцо вперёд, то лопасть, проходящая заднюю часть круга, получит больший угол атаки, а проходящая переднюю - меньший. Каждый оборот лопасть плавно перебирает углы: больше сзади, меньше спереди. Сзади подъёмная сила растёт, спереди падает, плоскость, которую описывают концы лопастей, наклоняется вперёд, а вместе с ней наклоняется и вектор тяги. Часть тяги теперь направлена горизонтально - вертолёт идёт вперёд. Наклон кольца вбок даёт то же самое вбок.

Это ключ ко всей схеме. Автомат перекоса превращает движение ручки в циклическое, повторяющееся каждый оборот изменение углов, и именно поэтому вертолёт умеет лететь в любую сторону, включая назад и боком.

Почему нужен хвостовой винт

Двигатель крутит винт, но по третьему закону механики винт с той же силой крутит корпус в обратную сторону. Ничем не уравновешенный вертолёт просто завертелся бы вокруг мачты.

Самое распространённое решение - маленький винт на хвостовой балке, вращающийся в вертикальной плоскости. Его тяга направлена вбок и создаёт момент, гасящий реактивный. Управляется он педалями: пилот меняет шаг хвостового винта, момент становится больше или меньше расчётного, и машина разворачивается вокруг вертикальной оси. Так вертолёт поворачивает нос, не меняя направления полёта, - способность, которой нет у самолёта.

Плата за это ощутима: хвостовой винт не создаёт подъёмной силы вовсе, а забирает заметную часть мощности, на висении порядка десятой её доли. Плюс он опасен на земле и уязвим при задевании препятствий.

Поэтому существуют схемы, где его нет. Два винта на одной мачте, вращающиеся навстречу друг другу, гасят моменты взаимно. Два винта на концах длинного корпуса делают то же самое и заодно дают большую грузовую кабину. Есть схема с двумя перекрещивающимися винтами на разнесённых наклонных мачтах. Есть машины, где боковую силу создаёт не винт, а выдуваемый вдоль хвостовой балки воздух.

Что мешает лететь быстро

У вертолёта есть встроенный предел скорости, и он не в мощности двигателя.

В горизонтальном полёте лопасть, идущая навстречу движению, обтекается потоком, к которому добавилась скорость машины. Лопасть на противоположной стороне круга уходит от потока, и её обтекание, наоборот, ослаблено на ту же величину. Возникает перекос подъёмной силы: с одной стороны винта её слишком много, с другой слишком мало, и без компенсации машина мгновенно опрокинулась бы.

Компенсируют это двумя способами сразу. Лопасти крепят к втулке на шарнирах, позволяющих им махать вверх и вниз: перегруженная лопасть поднимается, её угол атаки при этом сам собой уменьшается, недогруженная опускается и подхватывает поток. Плюс автомат перекоса добавляет отстающей лопасти угла циклически.

Но запас компенсации не бесконечен. С ростом скорости отстающей лопасти приходится давать всё больший угол, и в какой-то момент она срывается в срыв потока: подъёмная сила на ней обваливается, появляется тряска. Одновременно наступающая лопасть подходит к звуковому пределу с другой стороны. Между этими двумя стенками и живёт вертолёт, поэтому серийные машины обычно упираются в 300-350 км/ч, и обойти это ограничение можно, только добавив машине что-то, кроме несущего винта.

Что будет, если откажет двигатель

Вопреки распространённому страху, вертолёт при отказе двигателя не падает камнем - у него режим, которого нет у самолёта.

При потере тяги пилот немедленно сбрасывает общий шаг. Винт отсоединяется от заглохшего двигателя обгонной муфтой, чтобы не тащить его за собой, и теперь машина снижается, а поток идёт сквозь винт снизу вверх. При малом угле установки лопастей этот поток не тормозит винт, а раскручивает его: винт превращается из движителя в ветряк и продолжает вращаться сам. Режим называется авторотацией.

Снижение при этом устойчивое и управляемое, порядка десяти метров в секунду. У земли пилот резко тянет общий шаг на себя: накопленная во вращающемся винте кинетическая энергия за пару секунд превращается в подъёмную силу, снижение почти прекращается, и машина садится. Энергии хватает ровно на один такой манёвр, поэтому момент выбирают точно.

Логика здесь та же, что у купола, который тормозит падение потоком: об этом мы пишем в разборе, как работает парашют.

Откуда вертолёт взялся

Мысль поднять машину вертикально старше самолёта. Игрушка с вращающимся винтом, взлетающая от закрутки в ладонях, известна в Китае за столетия до нашей эры, а эскизы винтовых летательных машин есть у Леонардо да Винчи.

Практика упёрлась в три задачи: мощный и лёгкий двигатель, компенсация реактивного момента и управление. Первую решило появление двигателей внутреннего сгорания в начале XX века. Ключ ко второй и третьей - автомат перекоса, идея которого была сформулирована в 1911 году русским инженером Борисом Юрьевым. Ещё одну необходимую деталь дал испанец Хуан де ла Сиерва: в 1920-е годы он строил аппараты со свободно вращающимся винтом и придумал крепить лопасти на шарнирах, что и сняло проблему перекоса подъёмной силы.

Собранные вместе, эти решения дали первые устойчиво летавшие вертолёты во второй половине 1930-х годов, а серийными машины стали в 1940-е. Схема с одним несущим и одним хвостовым винтом с тех пор остаётся самой массовой - не потому, что она лучшая по всем статьям, а потому, что она самая простая из работающих.