Вертолеты и автожиры

Около 1500 года Леонардо да Винчи изобразил проект вертолета с винтом, приводи­мым в движение вручную. Позднее другие изобретатели разработали летающие моде­ли, оснащенные двигателями. Но первые вертолеты, представлявшие практический интерес, появились только в 1930-е годы.

("Cикорски S-76A" с ротором, наклоненным для движения вправо)

Для того чтобы удерживаться в возду­хе, самолетам необходимо двигаться вперед. Движение крыла сквозь воз­дух создает силу, противоположную на­правленной вниз силе притяжения. Верто­леты же могут зависать в воздухе, т. к. подъ­емная сила создается за счет вращения их  «крыльев». Так же, как у самолетов, подъем­ная сила создается потоком воздуха, огиба­ющего поверхности крыла. Эти узкие крылья вертолета называются лопастями. Вращение комплекту лопас­тей, называемому ротором, сообщается двигателем . А вот у автожира пропеллер двигает летательный аппарат вперед, и возникающий при этом поток воздуха заставляет ротор вращаться как ветряную мельницу. Как и у вертолета, это вращение создает подъемную силу. При зависании вертолета подъемная сила равняется его массе. Чтобы вертолет набирал высоту. Увеличение подъемной силы достигается путем 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 подъемная сила уменьшается путем уменьшения угла атаки.  

(По правому борту этого вертолета поток воздуха, огибающего лопасти, усиливается благодаря движению вперед, а по противоположному - ослабевает. Лопасти изгибаются, препятствуя неравномерному распределению подъемной силы.)

Направление движения

Вертолет приподнимает кромку лопастей для обеспечения подъемной силы, достаточной для замедления снижения перед посадкой. Ротор может наклоняться и в других направлениях, заставляя вертолет дви­гаться назад или в стороны. Пилот управ­ляет наклоном ротора при помощи рыча­га циклического шага. Когда висящий вертолет начинает дви­гаться вперед, он может наклоняться на один бок. Это происходит потому, что за счет потока воздуха навстречу вертолету повышается скорость относительно воз­духа лопасти, вращающейся вперед, в то время как скорость лопасти, вращающей­ся назад, уменьшается. Таким образом, подъемная сила обычно больше с одного борта вертолета и меньше - с другого. Для преодоления этой проблемы лопасти кре­пятся на шарнирах, что делает их более гибкими и заставляет слегка изгибаться кверху при вращении вперед. Это приво­дит к уменьшению подъемной силы и противодействует ее увеличению вслед­ствие повышения скорости лопастей от­носительно воздуха. В результате вертолет не подвергается нежелательному наклону.

Стабилизация

В полете однороторный вертолет имеет тенденцию к медленному обращению во­круг своей вертикальной оси. Это объяс­няется третьим законом Ньютона: на вся­кое действие есть равное по силе противо­действие. Иными словами, когда вертолет сообщает силу (действие) ротору, вращая его, ротор в свою очередь будет сообщать противоположно направленную силу (противодействие) вертолету. Поскольку вертолет относительно тяжелее, он будет обращаться медленно, однако вращающей силе все равно необходимо противопоста­вить другую, компенсирующую силу. Большинство вертолетов имеют один основной ротор и комплект небольших вертикально расположенных лопастей - противовращательный ротор. Он обеспе­чивает горизонтальную вращающую си­лу, которая гасит крутящий момент вслед­ствие вращения основного ротора, таким образом стабилизируя вертолет. Изменение тяги противовращательного ротора обеспечивает изменение на­правления движения. Это достигается из­менением угла атаки лопастей, что сни­жает тягу и позволяет вертолету повер­нуться в направлении, противоположном вращению основного ротора. Увеличение угла и тяги поворачивает вертолет в на­правлении вращения основного ротора.

Отказ двигателя

В случае отказа двигателя, вертолет 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. Когда вер­толет приближается к земле, пилот снова приподнимает кромку лопастей для обес­печения подъемной силы, достаточной для замедления снижения перед посадкой.