Вертолет — летательный аппарат, у которого подъёмная сила и пропульсивная сила для горизонтального полёта создаются одним или несколькими несущими винтами (НВ). В. может совершать вертикальные взлет и посадку, неподвижно «висеть» в воздухе, перемещаться вдоль и поворачиваться относительно любой оси. При отказе двигателей В. продолжает полёт со снижением и осуществляет посадку на режиме авторотации винта на неподготовленную площадку. Применяя резкое увеличение угла установки лопастей непосредственно перед посадкой, можно значительно увеличить подъёмную силу и тем самым существенно уменьшить вертикальную скорость В. в момент посадки.
Благодаря возможности взлетать и садиться вертикально, В. эксплуатируется с небольших площадок. Способность неподвижно висеть позволяет В. производить погрузку и выгрузку грузов, не совершая посадки, а также выполнять сложные строительно-монтажные операции (см. Вертолёт-кран).
В. широко применяются в народном хозяйстве для перевозки грузов, людей, выполнения сельскохозяйственных (см. Сельскохозяйственный летательный аппарат) и других работ. Большую помощь оказывают В. в разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений в труднодоступных районах и на море, строительстве магистральных газо- и нефтепроводов, линий электропередачи. Используются В. также санитарной службой (см. Санитарный летательный аппарат), для защиты лесов от пожаров и т. п.
В. входят в состав вооруженных сил всех крупных государств и предназначены для перевозки и десантирования войск и грузов (см. Военно-транспортный летательный аппарат), уничтожения танков и другой техники противника, огневой поддержки войск (см. Боевой вертолёт), разведки (см. Разведывательный летательный аппарат), связи, инженерного обеспечения и выполнения других заданий. В военно-морских силах В. служат как поисково-спасательные (см. Поисково-спасательный летательный аппарат), противолодочные (см. Противолодочный летательный аппарат), десантно-транспортные, противокорабельные летательные аппараты, а также как тральщики.
В. состоит из планёра, включающего фюзеляж, шасси, а в некоторых схемах также крыло и (или) оперение, винтовой несущей системы (несущих винтов), силовой установки, электро-, радио- и навигационного оборудования. Одновинтовые В. с механическим приводом НВ, кроме того, имеют рулевой винт для уравновешивания реактивного момента и для путевого управления В.
Основные летно-технические характеристики В. 80?х гг.; крейсерская скорость до 280 км/ч; макс, скорость до 350 км/ч; дальность полета до 800 км; динамический потолок до 6 км; статический потолок до 3 км и более; полезная нагрузка составляет от 0,4 т для лёгких В. и до 25 т для тяжёлых.
Классифицируются В. по следующим признакам. По числу НВ различают В.: одно-, двух- и многовинтовые, по их взаимному расположению — продольные, соосные, поперечные, с перекрещивающимися осями винтов ; по числу двигателей — одно-, двух- многодвигательные; по типу привода НВ с механическим приводом от двигателя и с реактивным приводом (с реактивными двигателями на концах лопастей или с турбокомпрессором в фюзеляже и реактивными соплами на концах лопастей); по назначению — многоцелевые, транспортные, пассажирские, вертолёты-краны, сельскохозяйственные, спасательные, санитарные и др.; по взлётной массе или грузоподъёмности — сверхлёгкие, легкие, средние, тяжёлые, сверхтяжёлые; по типу взлётно-посадочных устройств — сухопутные и амфибии.
Наиболее распространены В. одновинтовой схемы с механической трансмиссией и установленным на хвостовой балке рулевым винтом (около 95% всех построенных В.). Затраты на привод рулевого винта составляют 8—15% полной мощности двигателей. Рулевой винт работает в более тяжёлых условиях, чем несущий, из-за воздействия потока воздуха от НВ и наличия режима разворота В. относительно вертикальной оси на режиме висения. В. одновинтовой схемы разрабатываются большинством вертолётостроительных предприятий мира (Московский вертолётный завод, смотри Ми; ПЗЛ «Свидник»; фирмы «Белл», «Сикорский», «Льюз геликоптерс», «Аэроспасьяль», «Уэстленд», «Агуста» и др.).
У В. соосной схемы вал верхнего винта проходит через полый вал нижнего. НВ вращаются в противоположные стороны, их реактивные моменты взаимно уравновешиваются. В. имеет меньшие габариты, чем В. других схем. Условия работы винтов неодинаковы, так как нижний винт работает в потоке воздуха от верхнего. В. такой схемы разрабатываются на Ухтомском вертолётном заводе (см. Ка).
В. продольной схемы занимают второе место после одновинтовых В. по числу построенных за рубежом. В связи с тем, что задний винт В. работает в потоке переднего, условия его работы более тяжёлые, чем у изолированного винта. В. продольной схемы строятся фирмой «Боинг вертол» (США), а в СССР в 50?х гг. создавались на Московском машиностроительном заводе «Скорость» (см. Як).
У В. поперечной схемы НВ соединены с фюзеляжем при помощи крыльев или ферм, эта схема имеет полную аэродинамическую симметрию, что улучшает устойчивость и управляемость В. Взаимное влияние винтов практически отсутствует. Из-за поперечного расположения НВ улучшаются лётные характеристики на средний скоростях, допустима значительная перегрузка В. при взлёте с разбегом. По этой схеме были построены В. конструкции И. П. Братухина (СССР), Г. Фокке (Германия), а также самый тяжёлый в мире В. Ми-12 (СССР). Для уменьшения габаритов В. поперечной и продольной схем, как правило, имеют перекрытие несущих винтов.
В. с перекрещивающимися осями винтов — разновидность В. поперечной схемы (крайний случай перекрытия винтов), Вращение винтов синхронизировано таким образом, что в любом положении лопасти одного винта проходят над лопастями другого. В. имеет малые габариты, но опасен в эксплуатации из-за низко проходящих над землёй лопастей вследствие значит, развала винтов. Винты работают в условиях существенного взаимного влияния. Производством В. этой схемы занималась фирма «Каман». В 60?х гг. постройка прекращена.
В. многовинтовой схемы (с числом винтов от 3 до 20) строились на ранних стадиях развития вертолётостроения.
В силовой установке В. с механическим приводом НВ применялись поршневые, а затем получили распространение в основном газотурбинные двигатели со свободной турбиной (см. Турбовальный двигатель). Силовая установка включает также топливную систему, систему охлаждения, маслосистему, систему управления двигателями, противопожарную систему.
По методам создания подъёмной силы, пропульсивной силы и управляющих воздействий В. принципиально отличается от других летательных аппаратов (пропульсивная сила, управляющие силы и моменты создаются тем же органом, который создаёт и подъемную силу).
Подъёмная сила НВ изменяется посредством рычага «Шаг — газ», находящегося слева от кресла пилота. Перемещение рычага одновременно изменяет общий шаг всех лопастей и массу топлива, подаваемого в двигатели. Поворот рукоятки рычага относительно оси обеспечивает коррекцию (более точную регулировку) подачи топлива и, следовательно, мощности двигателей. С помощью ручки управления лётчик правой рукой посредством автомата перекоса изменяет циклический шаг лопастей винта, что приводит к изменению наклона вектора аэродинамической силы, создаваемой НВ. Возникающая при этом составляющая вектора в плоскости вращения винта определяет направление поступательного движения. Кроме того, изменение в этом случае плеча аэродинамической силы относительно центра масс В. создает управляющий момент в продольной или поперечной плоскости и обеспечивает управление по углам тангажа и крена. Продольное (у В. продольной схемы) или поперечное (у В. поперечной схемы) управление может также осуществляться дифференциальным изменением общего шага НВ. Для путевого управления, как и на самолете, служат педали. На В. одновинтовой схемы лётчик, воздействуя на педали, через проводку управления изменяет общий шаг рулевого винта, то есть его тягу. На В. двух- и многовинтовой схем (кроме соосной) путевое управление осуществляется дифференциальным изменением циклического шага НВ. На В. соосной схемы путевое управление достигается дифференциальным изменением общего шага винтов. На одновинтовых В. наклон оси рулевого винта позволяет получить вертикальную составляющую тяги (до 25% тяги рулевого винта), что облегчает балансировку В. и улучшает его летно-технические характеристики.
На В. устанавливаются стабилизаторы и кили для улучшения динамической устойчивости В. в поступательном полёте и изменения его балансировки в нужную сторону при изменениях режима полёта. Установленное на некоторых В. крыло служит для разгрузки НВ при большой скорости полёта или используется в качестве кронштейна для подвесного оборудования.
Историческая справка. Способность вращающегося винта подниматься в воздух была известна в Китае ещё в средние века. В 1475 Леонардо да Винчи создал проект летательного аппарат, способного «ввинчиваться» в воздух при помощи архимедова винта . Первая модель В. — «аэродромическая машинка» — создана М. В. Ломоносовым в 1754. Она имела два винта, приводимые во вращение часовой пружиной. Уравновешенная через блок контргрузом, при вращающихся винтах модель могла подниматься вверх .
Хотя в XIX в. было построено большое число летающих моделей, создание натурного летающего В. стало возможным лишь с появлением в начале XX в. лёгкого двигателя внутреннего сгорания и НВ, разработанных на основе теоретических и экспериментальных исследований Р. Фруда (Великобритания), С. К. Джевецкого, М. А. Рыкачёва, Н. Е. Жуковского, Б. Н. Юрьева, Г. X. Сабинина.
Первый вертикальный подъём при помощи винтов на летательном аппарате с человеком на борту был осуществлён во Франции 29 сентября 1907 на В. братьев Л. и Ж. Бреге и профессора Ш. Рише. В., поднимавшийся при помощи четырёх винтов на высоту 1,5 м, не имел органов управления (устойчивое положение при висении обеспечивалось механиками, поддерживавшими В. сбоку). Первый В., способный совершать поступательный полёт, был построен В. Корню (Франция) в ноябре 1907 . В 1912 Юрьевым был впервые построен В. одновинтовой схемы . В процессе его разработки Юрьев изобрёл автомат перекоса и тщательно проработал остальные агрегаты В. В те же годы в России строились натурные В. одновинтовой (В. Левицкий), соосной (К. А. Антонов, И. И. Сикорский и др.), продольной (Н. И. Сорокин) и многовинтовых (В. В. Татаринов и др.) схем. Дальнейшее развитие В. шло по линии совершенствования основных его агрегатов, улучшения характеристик устойчивости и управляемости. Работы Г. Глауэрта, К. Локка (Великобритания), Братухияа, Миля и других позволили выявить особенности аэродинамики НВ в косом потоке.
Научно-исследовательские, в том числе экспериментальные, работы привели к созданию в 30?х гг. работоспособных В. Вертолётная группа экспериментально-аэродинамического отдела Центрального аэрогидродинамического института (создана в 1926, возглавлялась Юрьевым) построила под руководством А. М. Черёмухина в 1930 первый советский В. ЦАГИ 1-ЭА . В 1932 на этом В. была достигнута рекордная высота 605 м (зарубежный рекорд высоты в то время составлял 18 м). В 1933 были построены модификации этого В. — ЦАГИ 3-ЭА, ЦАГИ 5-ЭА, а в 1936 комбинированные В. ЦАГИ 11-ЭА. В первой половине 40?х гг. некоторые В. выпускались малыми сериями (в Германии и США), но практического применения они тогда не нашли. Широкое строительство В. началось после окончания Второй мировой войны.
Первым отечественным В., предназначенным для серийного производства. был созданный в 1940 в опытном конструкторское бюро Братухина В. «Омега». Начавшаяся война помешала запуску этого В. в серию. В последующие годы (до 1951) опытное конструкторское бюро Братухина продолжало разрабатывать В. поперечной схемы. В опытном конструкторском бюро Камова и опытном конструкторское бюро Яковлева были построены опытные В. соосной схемы. Первый советский серийный В. Ми-1 совершил первый полет в 1948.
В 1952 началось крупносерийное производство В. Ми-4, превосходившего по грузоподъёмности (1,6 т) все существовавшие в то время В. в мире. В 1952—1953 совершили первые полёты тяжёлый транспортный В. продольной схемы Як-24 и предназначенный для военно-морского флота В. соосной схемы Ка-15, также запущенные позже в серийное производство. С 1953—1954 началось широкое применение В. в армии и народном хозяйстве Советского Союза.
С появлением первых серийных машин и началом их эксплуатации особое значение приобрели проблемы обеспечения динамической прочности и устойчивости конструкции (ресурс агрегатов по условиям усталостной прочности, флаттер НВ, «земной резонанс», вибрации и др.), разработки методов проектирования и конструирования В. и его агрегатов, дальнейшего совершенствования аэродинамики В., улучшения характеристик устойчивости, управляемости, манёвренности, повышения экономичности.
В вертолётостроении определились две линии развития: рост грузоподъёмности и улучшение удельных летно-технических характеристик. Первая линия отчётливо заметна в деятельности таких разработчиков В., как опытное конструкторское бюро Миля — Ми-1 (0,5 т) — Ми-4 (1,67 т) — Ми-6 (12 т) — Ми-12 (25 т); фирмы «Сикорский» —S-51 (0,4 т) — S-55 (1,1 т) — S-56 (5 т) — S-65 (8,4 т) и «Боинг вертол» —PV-17 (0,9 т) — V-44 (1,8 т) — V-107 (3 т) —V-114 (5,8 т).
Как правило, рост грузоподъёмности достигался путём увеличения размеров НВ и мощности силовых установок. В советском вертолётостроении был успешно осуществлён и другой способ увеличения грузоподъёмности — удвоение ранее разработанных и доведённых винтомоторных установок (В. Ми-12 имел две винтомоторные установки В. Ми-6).
Вторая линия развития предполагает повышение весовой отдачи, скорости, статического потолка и топливной экономичности В. внутри определенной весовой категории. Примерами такого направления являются линии: Ми-1 — Ми-2; Ми-4 —Ми-8 — Ми-17; Ми-6 — Ми-26; Ка-15 — Ка-18 — Ка-26; Белл 47 — Белл 206 — Белл 406; SA 316 — SA 360 (фирмы «Аэроспасьяль») и др.
На смену первым работоспособным В. 40-х — начала 50?х гг. (Ми-1, Ми-4, Ка-18, Белл 47, S-55, S-58, V-44, Каман К-3), обладавшим невысокой весовой отдачей (20—30%) и имевшим и качестве силовой установки поршневые двигатели, пришли В. второго поколения (Ми-2, Ми-6, Ми-8, Ка-25, Белл 205, Белл 206, S-61, S-62, V-114, Каман К-600, SA 316), оснащённые газотурбинные двигатели и имеющие более высокую весовую отдачу (30—40%), лучшие летно-технические и экономические характеристики. В. третьего поколения (Ми-26. Ка-32, Белл 222, S-70, S-76, S-80, Хыоз АН-64, Уэстленд WG-13, SA 350) отличаются ещё более высокой весовой отдачей (40—50%), новыми решениями в конструкции агрегатов, применением композиционных материалов, повышением ресурса, упрощением техники пилотирования и технического обслуживания, снижением уровня шума и вибраций, установкой экономичных силовых установок. Одним из направлений развития В. по линии улучшения скоростных характеристик было создание комбинированного В. — винтокрылов.
Расширение сфер применения вызвало необходимость создания специализированных В. Первоначально создание специализированных машин осуществлялось путём разработки специальных модификаций многоцелевых В., но недостаточная эффективность этого способа привела к необходимости конструирования специальных В., например, таких, как В.-кран (Ми-10, Ми-10К, S-60, S-64), боевой В. (Ми-28, Хьюз АН-64), противолодочный В. (SH-3, Джайродайн QH-50, Агуста-106, Ка-25).