Винтокрылые летательные аппараты

Исторически первыми типами винтокрылой техники, разработка которых велась в начале XX века, были вертолёт классической схемы с несущим винтом и квадрокоптер с четырьмя роторами. Первый полёт вертолёта состоялся в 1907 году, спустя всего четыре года после первого полёта братьев Райт. А уже в 1922 году в воздух под управлением летчика поднялся квадрокоптер Ботезата, создание которого велось по заказу армии США. С тех пор авиатехника, так или иначе использующая несущий винт для взлета и полёта, претерпела множество изменений. Появился класс винтокрылых летательных аппаратов, который сегодня включает в себя пять основных типов: автожир, винтокрыл, вертолёт, конвертоплан и X-крыло.

Винтокрылые летательные аппараты – это машины, взлет и полёт которых происходят преимущественно благодаря подъёмной силе, создаваемой одним или несколькими несущими винтами. При этом сами винты могут приводиться в движение одной или несколькими силовыми установками, а могут вращаться только лишь под воздействием набегающего в полёте воздушного потока. По сути же у винтокрылых летательных аппаратов несущий винт является своего рода разновидностью крыла самолёта.

Движущую силу на винтокрылых летательных аппаратах могут создавать как сами несущие винты, так и винты в хвостовой части или на законцовках небольшого крыла. В первом случае управление вектором тяги проводится либо наклоном оси вращения, либо автоматом перекоса. Сегодня некоторые компании разрабатывают проекты винтокрылов, в которых за создание движущей силы будут отвечать реактивные двигатели. Они позволят аппаратам летать на скоростях, близких к самолётным.

Автожир

Сейчас автожир является одним из самых распространённых типов винтокрылых летательных аппаратов. Он представляет собой летательный аппарат с толкающим воздушным винтом в хвостовой части и свободновращающимся несущим винтом, обязательно наклоненным назад под небольшим углом к земле. В полёте автожир, как самолёт на крыло, опирается на несущую поверхность винта, который вращается исключительно при помощи набегающих потоков воздуха. Такое вращение называется авторотацией.

Несущий винт автожира в полёте создает только подъёмную силу, причём по своим свойствам он очень похож на крыло самолёта с положительным углом атаки. У такого крыла аэродинамические поверхности выставлены таким образом, чтобы оно тянуло летательный аппарат вверх. Сам несущий винт автожира, как правило, не имеет изменяемого шага, но может быть оснащён автоматом перекоса, который позволяет управлять вектором тяги винта.

За горизонтальный полёт в автожире отвечает либо толкающий, либо тянущий винт, который обычно оснащён фиксированными лопастями. Углом их атаки управлять нельзя. Увеличение или уменьшение тяги маршевого винта, который также называется пропеллером, осуществляется благодаря наращиванию или сбросу частоты вращения вала двигателя. Управлять направлением полёта в автожире можно при помощи воздушного руля – специальной отклоняемой вправо или влево плоскости на вертикальном киле в хвостовой части.

Автожир способен взлетать при очень коротком пробеге и садиться вертикально. Некоторые модели таких аппаратов позволяют заранее раскручивать несущий винт ещё на земле до скорости, превышающей скорость рабочего вращения в полёте. В таком случае автожир может взлететь вертикально. Такой взлет называется подскоком. При этом многие автожиры оснащены редуктором, который проводит предварительную раскрутку несущего винта. Эта система не позволяет сделать подскок, но значительно сокращает пробег перед взлетом.

В целом автожир имеет несколько преимуществ перед самолётом или вертолётом. В частности, им гораздо проще управлять, а летать на нём – безопаснее. Автожир никогда не войдет в штопор и может совершить управляемую вертикальную посадку с неработающим двигателем. К недостаткам летательного аппарата относится низкий коэффициент полезного действия двигателя, из-за чего автожирам требуются мощные силовые установки.

Современный автожир VPM M-16

Винтокрыл

Винтокрыл является своего рода промежуточным звеном между автожиром и самолётом. Такой летательный аппарат оснащается небольшим крылом, одним или двумя несущими винтами и одним или несколькими толкающим или тянущим пропеллерами. Сегодня винтокрылы, которые нередко относят к высокоскоростному подтипу вертолётов, считаются наиболее перспективным видом летательных аппаратов с несущим винтом.

У винтокрылов несущий винт или винты создают подъёмную силу при взлете и на всем продолжении полёта, а движущую – только до определённой скорости. На больших скоростях полёта специальная управляемая обгонная муфта у винтокрылов отключает несущие винты от трансмиссии, и дальнейший полёт идет уже в режиме авторотации. То есть несущий винт в таком режиме работает уже как винт автожира. При этом дальнейший набор скорости и горизонтальный полёт обеспечиваются пропеллерами, а вклад в создание подъёмной силы привносит и крыло.

Винтокрылы способны совместить в себе положительные качества вертолётов и самолётов. Они способны к вертикальным взлету и посадке и полётам на скорости большей, чем способны развить вертолёты. Например, винтокрыл Airbus Helicopters X3 с двумя тянущими винтами может разгоняться до 472 километров в час. Перспективный вертолёт-разведчик S-97 Raider будет способен летать на скорости до 440 километров в час. Для сравнения, вертолёт Ка-52 соосной схемы может разгоняться до 315 километров в час.

Серийных винтокрылов сегодня не существует, однако их разработкой занимаются сразу несколько компаний: российские «Камов» и конструкторское бюро имени Миля, американские Sikorsky и Piacesky Aircraft, а также европейская Airbus Helicopters. Некоторыми проектами предусматривается установка реактивных двигателей на винтокрылы, благодаря которым эти аппараты смогут совершать полёты на скоростях более 600 километров в час.

 

Вертолёт

Вертолёт – винтокрылый летательный аппарат, который может взлетать и садиться вертикально, парить и лететь в любом направлении. На протяжении последних столетий было много концепций, похожих на современные вертолёты, но только в 1936 году был построен первый рабочий вертолёт «Фокке-Вульф Fw 61».

Подобно крылу самолёта, лопасти несущего винта вертолёта находятся под углом к плоскости вращения винта, который называется углом установки лопастей. Однако, в отличие от неподвижного самолётного крыла, угол установки лопастей вертолёта может меняться в широких пределах (до 30°).

Почти всегда несущий винт вертолёта оснащён автоматом перекоса, который для управления полётом обеспечивает смещение центра давления винта в случае шарнирного соединения лопастей или же наклоняет плоскость вращения винта в случае полужёсткого соединения. Автомат перекоса, как правило, жёстко соединяется с осевым шарниром для изменения угла атаки лопастей. В схемах с тремя и более несущими винтами автомат перекоса может отсутствовать.

Лопасти вертолёта, как правило, во всех режимах полёта вращаются с постоянной частотой, увеличение или уменьшение мощности несущего винта зависит от шага винта.

Ми-8 является самым массовым двухдвигательным вертолётом в мире, а также входит в список самых массовых вертолётов в истории авиации

 

Вращение винту обычно передаётся от одного или двух двигателей через трансмиссию и промежуточный редуктор колонки несущего винта. При этом возникает реактивный момент, который стремится закрутить вертолёт в сторону, противоположную от вращения несущего винта. Для противодействия реактивному моменту, а также для путевого управления, используется либо рулевой винт, либо соосная схема несущих винтов, вращающихся в разных направлениях.

В качестве рулевого устройства обычно используется вертикальный рулевой винт на конце хвостовой балки, реже применяют рулевой винт в кольцевом канале – фенестрон, ещё реже систему NOTAR, основанную на эффекте Коанды.

Также существуют варианты с расположением рулевого винта на крыле вертолёта, при этом винт не только противодействует реактивному моменту и участвует в путевом управлении, но и создаёт дополнительную тягу, направленную вперёд, разгружая тем самым несущий винт во время полёта.

При отказе двигателей вертолёт должен иметь возможность безопасно приземлиться в режиме авторотации, то есть в режиме самовращения несущего винта под действием набегающего потока воздуха.

Сегодня существует семь основных схем вертолётов, которые можно классифицировать по расположению несущих винтов: классическая, соосная, продольная, поперечная, синхроптер, мультикоптер и комбинированный вертолёт. Вертолёты способны совершать вертикальные взлет и посадку на площадки, диаметр которых в полтора раза превосходит диаметр несущего винта (правда, при максимальной загрузке для экономии топлива может потребоваться короткая пробежка).

Управление вертолётом немного сложнее, чем у автожира или самолёта.

Вертолёт может на внешней подвеске перевозить крупногабаритные грузы. При этом такие летательные аппараты отличаются большим, чем у самолётов, потреблением топлива и повышенной шумностью. Кроме того, управляя вертолётом нужно учитывать такие сложные аэродинамические эффекты, которые не встречаются при полёте на самолёте. Эти факторы могут приводить к разрушению или падению машины.

Конвертоплан

Конвертоплан, так же как и винтокрыл, совмещает в себе положительные качества вертолётов и самолётов. Этот летательный аппарат по конструкции похож на самолёт, однако имеет на законцовках крыла двигатели с несущими винтами, которые могут наклоняться вперёд на угол до 90 градусов. После наклона несущие винты превращаются в тянущие пропеллеры. Диаметр винтов конвертоплана сравним с размахом его крыла.

Благодаря такой конструкции конвертоплан может взлетать и садиться по-вертолётному, а лететь по-самолётному. Переход из вертолётного режима в самолётный осуществляется в воздухе. При этом наклон плоскости вращения винтов осуществляется наклоном самих двигателей.

Сегодня единственным серийным конвертопланом является V-22 Osprey, выпускаемый американским консорциумом Bell/Boeing. Этот аппарат в вертолётном режиме может развивать скорость до 185 километров в час и до 565 километров в час – в самолётном. Аппарат может выполнять полёты на расстояние до 2,7 тысячи километров и нести груз массой до 6,2 тонны. Такие конвертопланы в настоящее время стоят на вооружении ВВС и Морской пехоты США.

Следует отметить, что конвертопланы достаточно сложны в управлении, особенно в транзитном режиме, когда осуществляется переход от вертолётного полёта к самолётному. Управляют конвертопланом при помощи ручки и педали: в вертолётном режиме ручка отвечает за управление высотой, а педали – за тягу. В самолётном режиме они меняются ролями. По отзывам многих летчиков V-22, в транзитном режиме полёта возникает ощущение потери управления, хотя сам режим является безопасным.

 

Конвертоплан Bell XV-3

Х-крыло

Оно является наиболее интересным с конструктивной точки зрения типом винтокрылых летательных аппаратов, хотя сегодня разработки в этом направлении практически не ведутся. Не существует и серийных машин такого типа. Название для техники такого типа в начале 1970-х годов придумала американская компания Sikorsky, которая занималась разработкой летательного аппарата, в конструкции которого можно было бы использовать так называемое ротор-крыло.

Ротор-крыло внешне очень похоже на несущий винт с четырьмя лопастями, с тем лишь отличием, что его лопасти гораздо шире, чем у вертолётного винта. Предполагалось, что такое крыло на взлете и при наборе скорости будет вращаться, как обычный несущий винт обычного вертолёта классической схемы. Реактивный момент такого крыла должен был компенсировать обычный же рулевой винт на хвосте летательного аппарата. По достижении определённой скорости ротор-крыло должно было останавливаться и выполнять роль уже обычного самолётного крыла.

К 1976 году компания Sikorsky построила два прототипа X-крыла – летательные аппараты S-72. Они были созданы на базе многоцелевого вертолёта UH-60 Blackhawk, разработка которого к тому времени уже завершалась. Машины получили по два газотурбинных двигателя для приведения в движение ротор-крыла и вращения рулевого винта через редуктор, низкорасположенное крыло размахом 18,9 метра и по два турбореактивных двигателя, расположенных над ним.

В 1976 году один из прототипов совершил первый полёт. Правда, ротор-крыло на нём ещё не было установлено – конструкторы отрабатывали на S-72 аэродинамическую компоновку и способы управления. Например, в горизонтальном быстром полёте аппарат должен управляться по-самолётному – рулями высоты и курса, а также закрылками на крыле. Все работы велись при финансировании NASA и Агентства перспективных оборонных разработок (DARPA).

Позднее один из прототипов был модернизирован и получил ротор-крыло. Предполагалось, что S-72 сможет вертикально взлетать и садиться и совершать полёты на скоростях, близких к самолётным. Выкатка модернизированного аппарата состоялась в 1986 году, однако в воздух он так и не поднялся. К этому времени в NASA и DARPA посчитали проект технически сложным и дорогостоящим. Финансирование проекта было прекращено.

В 2000-х годах созданием X-крыла занялась австралийская компания StopRotor. Она создала беспилотный летательный аппарат – демонстратор технологий, который успешно прошел испытания в 2013 году. Подробности об аппарате практически неизвестны за исключением некоторых деталей об остановке ротор-крыла. В прототипе для остановки ротор-крыла его лопасти поворачиваются на 90 градусов, а сам аппарат короткое время практически падает вертикально.

Во время падения возникает воздушный поток, который симметрично огибает все лопасти ротор-крыла, избавляя его от перекосов и одновременно тормозя его. Затем крыло фиксируется, а лопасти разворачиваются параллельно земле для перехода в горизонтальный полёт. Правда, во время лётных испытаний в 2013 году проводился только обратный переход ротор-крыла из фиксированного положения к вращению. Новых испытаний своего прототипа StopRotor не делала. В какой стадии проект находится в настоящее время, неизвестно.

 

Самолёт

Это воздушное судно тяжелее воздуха, предназначенное для полётов в атмосфере с помощью силовой установки, создающей тягу, и неподвижного относительно других частей аппарата крыла, создающего подъёмную силу. Неподвижное крыло отличает самолёт от махолёта (орнитоптера) и вертолёта, а наличие двигателя – от планёра. От дирижабля и аэростата самолёт отличается тем, что использует аэродинамический, а не аэростатический способ создания подъёмной силы.

В современной авиации существуют самолёты с подвижной изменяемой геометрией крыла (например, Су-24).

Слово «самолёт» использовалось для обозначения летательных аппаратов ещё в XIX веке. Так, в 1857 году капитан 1-го ранга Н. М. Соковнин использовал это слово для обозначения управляемого аэростата. В значении, близком к современному, слово «самолёт» впервые употребил журналист и писатель Аркадий Васильевич Эвальд в статье «Воздухоплавание», которая была напечатана в 1863 году в газете «Голос», где он впервые в России предложил идею подобного летательного аппарата.

С лёгкой руки поэта-футуриста Василия Василевича Каменского, увлекавшегося авиацией и совершавшего самостоятельные полёты сначала на монопланах, а затем на аэропланах собственной постройки, слово «самолёт» с 1910 года распространилось сначала в поэтической среде того времени, а потом «вышло в массы». Произошло это не так быстро; аэроплан стал называться самолётом примерно в середине 30-х годов XX столетия.