Эти летательные аппараты выступают в роли башенных кранов, спасают терпящих бедствие, доставляют грузы в отдалённые уголки земного шара и выполняют фигуры высшего пилотажа. Вертолёты гораздо сложнее, чем вы думаете.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №4(44). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Возможность вертикального взлёта и посадки занимала умы инженеров задолго до появления вертолётов. В Миланской библиотеке обнаружили эскизы 1475 года, на которых великий Леонардо да Винчи нарисовал прообраз современных винтокрылых машин. В качестве несущего винта он предлагал винт Архимеда, вращающийся с помощью пружины. Устройство, спроектированное итальянским учёным, было одним из первых беспилотных летательных аппаратов. Но оно не умело безопасно приземляться и потому было не более чем одноразовой игрушкой для богатых современников гения.

В качестве основного материала для винта Архимеда Леонардо да Винчи предлагал парусину, поры которой требовалось тщательно замазать крахмалом. Форму винта поддерживал длинный толстый камыш, на который натягивали парусину. На данный момент нет свидетельств, что действующие модели были построены.

Эстафету принял русский учёный Михаил Ломоносов. С помощью винтокрылой машины он планировал доставить в верхние слои атмосферы измерительную аппаратуру: анемометры и термо­метры. В 1754 году Ломоносов сконструировал аэродинамическую машину с двумя несущими винтами, которые вращались в разные стороны. Это требовалось для компенсации реактивного момента от винта, вращающего корпус летательного аппарата в противоположную сторону. Настольная модель оснащалась пружинным заводным механизмом и была способна к вертикальному взлёту. Но до полномасштабной реализации дело не дошло.

Аэродинамическая ­машина ­Ломоносова

Спустя 30 лет французские естествоиспытатели Лануа и Бьенвеню продемонстрировали действующую модель вертолёта с лопастями из птичьих перьев. У аппарата было два четырёхлопастных винта, расположенных соосно, а двигателем выступал плотно закрученный вокруг оси… китовый ус! На нижнем винте была тетива, к которой крепили ус, — с её помощью модель заводили перед полётом. 85‑граммовый вертолёт был показан Парижской академии наук и получил одобрительную оценку.

Модель вертолёта Лонуа и Бьенвеню

В конце XVIII века интерес к геликоптерам (греч. gelikos — винт; ptero — крыло) стал угасать из-за развития воздухоплавания. Но эйфория от аэростатов и воздушных шаров быстро сошла на нет: они позволяли оторваться от земли, но управлять такой техникой было проблематично. Фактически воздухоплавателю приходилось полагаться на милость природы и следовать туда, куда дует ветер.

В середине XIX века инженеры стали один за другим предлагать смелые схемы винтокрылых машин. Известность приобрели проекты Ван Гекка, Форланини, Кастеля и Коссю, но их аппараты в лучшем случае могли лишь на несколько сантиметров оторваться от земли. Мускульной силы для такой техники не хватало, а паровые машины были слишком тяжёлыми. Ситуация улучшилась с изобретением двигателя внутреннего сгорания, но об этом позже. Вначале поговорим о механике винтокрылых машин.

Основные проблемы были связаны с несущим винтом. Он не только обеспечивает подъёмную силу, но и передаёт крутящий момент фюзеляжу, в результате чего машина начинает крутиться в противоположном вращению винта направлении. Что с этим делать? Придумали ставить на хвосте второй винт, чтобы он создавал компенсирующий крутящий момент. В среднем 8–15% мощности двигателя расходуется на привод винта в хвостовой балке, что во многом объясняет высокий расход топлива. С помощью этого винта, получившего название рулевого, аппарат поворачивает относительно вертикальной оси — за счёт увеличения или уменьшения тяги. Кстати, по количеству лопастей в рулевом винте можно судить о классе вертолёта: у лёгких машин их обычно две, а тяжёлые транспортные винтокрылы оснащаются пяти­лопастными винтами.

В 1967 году на французском вертолёте SA-341 Gazelle появился фенестрон — рулевой винт, установленный в специальном кольцевом канале хвос­товой балки. Такое решение обеспечивало защиту механизма от повреждений и безопасность людей, но имело недостаток: на вращение в режиме висения тратилось слишком много энергии. Причина в меньшем диаметре фенестрона относительно его «открытого» аналога — этого требуют габариты киля хвостовой балки.

Ещё больше энергии требует рулевое устройство NOTAR (No Tail Rotor), работающее за счёт реактивной струи воздуха. Для этого в фюзеляже монтируется мощный вентилятор, нагнетающий воздух в боковые сопла в хвостовой балке. Через щелевые сопла в основании балки воздушный поток соединяется с потоком от несущего винта, создавая уравновешивающую тягу. Дополнительную тягу создают щелевые управляемые сопла на самом конце хвостовой балки, с помощью которых вертолёт поворачивает.

К чему такие сложности? Чтобы снизить вес, повысить безопасность и умень­шить аэродинамическое сопротивление во время скоростного полёта. Например, на вертолёте AgustaWestland AW-139 реализован так называемый аэродинамический гребень. Он расположен вдоль одной из сторон хвостовой балки и провоцирует срыв потока воздуха. При этом резко нарушается воздушный поток вокруг хвостовой балки, и появляются завихрения, снижающие тягу. Получается, что срыв потока на одной части балки формирует тягу на другой и частично уравновешивает тягу несущего винта. Конечно, в одиночку гребень с ней не справится, но помочь рулевому винту может.

Кардинальным решением проблемы стала установка друг над другом сразу двух несущих винтов, вращающихся в разных направлениях. Тут всё просто: каждый винт создаёт тягу, а другой её уравновешивает. Вертолёт поворачивает, снижая обороты на одном из винтов. У такой конструкции масса преимуществ: отсутствие рулевого винта делает машину компактнее и легче, а также уменьшает потери мощности на компенсацию тяги несущего винта. К тому же двухвинтовые соосные вертолёты поднимаются в воздух гораздо быстрее одновинтовых.

Несущий винт создаёт подъёмную силу, а за перемещения вертолёта вбок, прямо и назад отвечает автомат перекоса. Его придумал в 1911 году российский инженер Борис Юрьев. Идея заключается в циклическом изменении угла атаки лопастей несущего винта. Что это значит? Углом атаки называется угол между продольным сечением лопасти и набегающим потоком воздуха — чем он больше, тем выше подъёмная сила. Юрьев предложил увеличивать угол атаки в части, противоположной направлению движения. То есть, чтобы лететь вперёд, следует увеличить угол атаки лопасти над хвостовой балкой. Тогда тяга в хвостовой части увеличивается, вертолёт кренится на нос и движется вперёд. По той же схеме можно двигаться назад, влево и вправо — это самый манёвренный тип авиационного транспорта.

Первым вертолётом, способным к устойчивому полёту и висению, стал немецкий Focke-Wulf Fw 61, поднявшийся в воздух 26 июня 1936 года. Своим успехом аппарат был обязан двум инженерным достижениям: автомату перекоса Юрьева и двигателю внутреннего сгорания Карла Бенца, компактному и мощному одновременно. Необычной была компоновка несущих винтов: они располагались поперечно и вращались в разные стороны, уравновешивая тягу друг друга. Немцы построили всего две опытные машины, но и они позволили собрать богатый материал.

Ну а первой серийной моделью с автоматом перекоса стал американский вертолёт Sikorsky R-4 образца 1944 года. Главным конструктором R-4 был русско-­американский инженер Игорь Сикорский. Аппарат был спроектирован по одновинтовой схеме с рулевым винтом в хвостовой балке — в дальнейшем эта схема получила широкое распространение.

Автомат перекоса решает ещё одну изначальную проблему одновинтового вертолёта. Дело в том, что во время полёта лопасть несущего винта, которая движется вперёд, к носу машины (наступающая), рассекает воздух сильнее, чем лопасть, движущая­ся от носа к хвосту (отступающая). А при разных скоростях тяга одинаковой быть не может — вертолёт будет крениться на бок и в конце концов перевернётся. Автомат перекоса компенсирует эту вредную тягу, уменьшая угол атаки наступающей лопасти.

После Второй мировой войны вертолётостроение вступило в фазу бурного роста. Одна из новых моделей представляла собой двухвинтовую продольную машину с несущими винтами в носовой и хвостовой частях фюзеляжа. Самый известный представитель этого семейства — тяжёлый транспортный Boeing-Vertol Ch-47D Chinook (США) поднимает в воздух более 12 тонн полезной нагрузки. Продолговатая форма вертолёта удобна для размещения крупных грузов. Но есть и минусы. Во-первых, несущие винты тратят много энергии на обдув крупного фюзеляжа. Во-вторых, при двухвинтовой схеме велико перекрытие плоскостей винтов — в режиме висения это забирает около 4% подъёмной силы машины.

Двухвинтовая поперечная схема, впервые появившаяся на упомянутой выше модели Focke-Wulf Fw 61, была реализована на первой в мире серийной машине Focke Achgelis Fa-223 (Германия) в 1941 году. А уже в 1967 году в СССР был построен гигантский Ми-12, способный поднимать в воздух сразу 40 тонн при взлётной массе 105 тонн. До сих пор ни одна винтокрылая машина не смогла побить рекорд Ми-12: в 1969 году он поднял 44 205 кг на высоту 2255 м. Несущие винты, расположенные на поперечной оси летательного аппарата, позволяют не тратить лишнюю энергию на привод компенсирующего реактивный момент рулевого винта.

Синхроптеры, или вертолёты с двумя перекрещивающимися несущими винтами, наверное, самая экзотическая разновидность винтокрылых машин современности. Построенный в 1941 году немецкий Fl.282 Kolibri был первым вертолётом, у которого оси противоположно вращающихся винтов были максимально сближены и имели угол развала. Винты вращались в разные стороны, а для предотвращения схлёстывания их было по два на каждой оси. Почему так сложно? Без длинной хвостовой балки синхроптеры получаются компактными. В то же время их несущие винты, расположенные под углами, приближаются к земле, а это небезопасно и снижает грузо­подъёмность. Сейчас чуть ли не единственной машиной такого типа является Kaman K-MAX.

Чтобы избавиться от реактивного момента, инженеры предложили разместить на концах лопастей винтов… реактивные двигатели! И действительно, отсутствие механического привода несущего винта снимает необходимость во втором пропеллере. Сообщать вращение винту можно с помощью компрессора, нагнетающего воздух в сопла на концах лопастей. Эта идея реализована в единственном серийном реактивном вертолёте Sud-Ouest S.O.1221 Djinn (Франция). А вот на экспериментальном тяжёлом «британце» Fairey Rotodyne четыре миниатюрных реактивных двигателя установили на лопасти винта. Машина дополнительно оснащалась двумя толкающими винтами и была хороша всем, кроме огромного расхода топлива и запредельного шума.

Максимальная скорость вертолёта ограничена 350–380 км/ч по многим причинам. Главная в том, что на бóльших скоростях лопасти преодолевают ­звуковой барьер, и их подъёмная сила падает. Поэтому инженеры придумали ставить на вертолёты дополнительные толкающие винты — они позволяют увеличить скорость. Eurocopter X3, Piasecki X-19 Speed Hawk и Lockheed AH-56 Cheyenne с толкающими винтами совершили невозможное — превысили порог в 400 км/ч. 

Наряду с «простыми» вертолётами инженеры разрабатывают гибриды — аппараты, способные взлетать как вертолёт и двигаться горизонтально, как самолёт. Таковым является ­конвертоплан Bell V-22 Ospry, принятый на вооружение ВМС США в 1999 году. Два несущих винта расположены на коротких крыльях V-22 — по компоновке машина вообще напоминает вертолёт с поперечным размещением винтов. Но, в отличие от последнего, у конвертоплана двигатели с винтами способны принимать вертикальное положение при взлёте и посадке, а в режиме полёта переходить в горизонтальное. Пока это единственный серийный конвертоплан, но на подходе экспериментальный пассажирский Agusta Westland AW-609, а также военный Bell V-280 Valor. У V-280, в отличие от Ospry, поворачивается только вал несущего винта, а ­мотогондола остаётся неподвижной. Так проще и надёжнее.

Дело в аэродинамике несущего винта. Когда скорость лопасти достигает звуковой, резко увеличивается сопротивление и появляются опасные вибрации. Поэтому инженеры создают особые стреловидные законцовки лопастей — такие стоят на Ми-38, Ка‑62, Westland Lynx и Airbus H-160.