Вертолет — это тип винтокрылого летательного аппарата , в котором подъемная сила и тяга создаются горизонтально вращающимися винтами . Это позволяет вертолету взлетать и приземляться вертикально , зависать и летать вперед, назад и вбок. Эти атрибуты позволяют использовать вертолеты в перегруженных или изолированных районах, где самолеты и многие виды самолетов с коротким взлетом и посадкой ( STOL ) или с коротким взлетом и вертикальной посадкой ( STOVL ) не могут работать без взлетно- посадочной полосы .
В 1942 году Sikorsky R-4 стал первым вертолётом, дошедшим до полномасштабного производства . [1] [2]
Хотя в большинстве более ранних конструкций использовалось более одного несущего винта, наиболее распространенной конфигурацией вертолета стала конфигурация одного несущего винта, сопровождаемого вертикальным рулевым винтом рулевого управления (т.е. уникоптер, не путать с однолопастным монокоптером ). Тем не менее, вертолеты с двумя несущими винтами (бикоптеры), как в тандемной , так и в поперечной конфигурации винтов , иногда используются из-за их большей грузоподъемности, чем у монороторной конструкции, а сегодня также летают вертолеты с соосным винтом , конвертопланом и составными винтами. Квадрокоптеры ( квадрокоптеры ) были изобретены еще в 1907 году во Франции и наряду с другими типами мультикоптеров были разработаны в основном для специализированных применений, таких как дроны .
Английское слово вертолет заимствовано из французского слова helicoptère , придуманного Гюставом Понтоном д'Амекуром в 1861 году, которое происходит от греческого helix ( ἕλιξ ), родительного падежа helikos (ἕλῐκος), «спираль, спираль, вихрь, свертка» [3] и птерон ( πτερόν ) «крыло». [4] [5] В процессе перевода в скобки это слово часто (ошибочно, с этимологической точки зрения) воспринимается носителями английского языка как состоящее из вертолета и вертолета , что приводит к таким словам, как вертолетная площадка и квадрокоптер . [6] [7] Английские прозвища для слова «вертолет» включают «вертолет», «вертолет», «вертолет» и «вертушка». В вооруженных силах США распространен сленг «helo», произносимый с длинной «е». [ нужны разъяснения ]
Вертолет — это тип винтокрылого летательного аппарата , в котором подъемная сила и тяга обеспечиваются одним или несколькими винтами, вращающимися горизонтально. [8] В отличие от этого, автожир (или автожир) и автожир имеют свободно вращающийся ротор для всего или части диапазона полета, опираясь на отдельную систему тяги для продвижения корабля вперед, так что воздушный поток заставляет ротор вращаться, чтобы обеспечить поднимать. Составной вертолет также имеет отдельную систему тяги, но продолжает подавать мощность на винт на протяжении всего нормального полета. [ нужна цитата ]
Несущая система, или проще говоря , ротор — это вращающаяся часть вертолета, создающая подъемную силу . Несущая система может быть установлена горизонтально, как несущие винты, обеспечивающие подъемную силу вертикально, или она может быть установлена вертикально, например рулевой винт, для обеспечения горизонтальной тяги для противодействия крутящему моменту от несущих винтов. Несущий винт состоит из мачты, ступицы и лопастей. [ нужна цитата ]
Мачта представляет собой цилиндрический металлический вал, выступающий вверх от трансмиссии. В верхней части мачты находится точка крепления лопастей несущего винта, называемая ступицей. Системы несущего винта классифицируются в зависимости от того, как лопасти несущего винта прикреплены и движутся относительно ступицы. Существует три основных типа: бесшарнирные, полностью шарнирно-сочлененные и балансирующие; хотя в некоторых современных роторных системах используется их комбинация. [ нужна цитата ]
Большинство вертолетов имеют один несущий винт, но крутящий момент, создаваемый его аэродинамическим сопротивлением , должен компенсироваться противоположным крутящим моментом. Игорь Сикорский выбрал для своего ВС-300 конструкцию хвостового винта меньшего размера. Хвостовой винт толкает или тянет хвост, чтобы противостоять эффекту крутящего момента, и это стало наиболее распространенной конфигурацией конструкции вертолета, обычно на конце хвостовой балки . [ нужна цитата ]
В некоторых вертолетах вместо рулевого винта используются другие средства управления противодействием крутящему моменту, такие как канальный вентилятор (называемый Fenestron или FANTAIL ) и NOTAR . NOTAR обеспечивает противодействие крутящему моменту, аналогично тому, как крыло развивает подъемную силу за счет использования эффекта Коанды на хвостовой балке. [9]
.jpg/1280px-Belgium_Police_520N_(cropped).jpg)
Использование двух или более горизонтальных винтов, вращающихся в противоположных направлениях, является еще одной конфигурацией, используемой для противодействия воздействию крутящего момента на самолет без использования рулевого винта, препятствующего крутящему моменту. Это позволяет мощности, которая обычно требуется, чтобы перенаправить рулевой винт полностью на несущие винты, повышая энергоэффективность и грузоподъемность самолета. Существует несколько распространенных конфигураций, в которых эффект встречного вращения используется для пользы винтокрылого аппарата:
Конструкция наконечника струи позволяет ротору продвигаться сквозь воздух и избегать создания крутящего момента. [10]
Количество, размер и тип двигателей, используемых на вертолете, определяют размер, функции и возможности конструкции вертолета. Самые ранние вертолетные двигатели представляли собой простые механические устройства, такие как резиновые ленты или шпиндели, которые сводили размеры вертолетов к игрушкам и небольшим моделям. За полвека до первого полета самолета паровые двигатели использовались для развития понимания аэродинамики вертолетов, но ограниченная мощность не позволяла осуществлять пилотируемые полеты. Появление двигателя внутреннего сгорания в конце XIX века стало переломным моментом в развитии вертолетов, поскольку начали разрабатываться и производиться двигатели, которые были достаточно мощными, чтобы вертолеты могли поднимать людей. [ нужна цитата ]
В ранних конструкциях вертолетов использовались двигатели, изготовленные по индивидуальному заказу, или роторные двигатели, предназначенные для самолетов, но вскоре они были заменены более мощными автомобильными двигателями и радиальными двигателями . Единственным и наиболее ограничивающим фактором развития вертолетов в первой половине 20-го века было то, что мощность, вырабатываемая двигателем, не могла преодолеть вес двигателя в вертикальном полете. В первых успешных вертолетах эту проблему удалось преодолеть за счет использования самых маленьких двигателей. Когда был разработан компактный плоский двигатель , вертолетная промышленность нашла более легкую силовую установку, легко адаптируемую к небольшим вертолетам, хотя радиальные двигатели продолжали использоваться для более крупных вертолетов. [ нужна цитата ]
Турбинные двигатели произвели революцию в авиационной промышленности; а турбовальный двигатель для вертолетов, впервые примененный в декабре 1951 года на вышеупомянутом Kaman K-225, наконец, дал вертолетам двигатель с большой мощностью и малым весом. Турбовальные двигатели также более надежны, чем поршневые двигатели, особенно при выработке постоянной высокой мощности, необходимой для вертолета. Турбовальный двигатель удалось масштабировать до размера проектируемого вертолета, так что сегодня все модели вертолетов, кроме самых легких, оснащены газотурбинными двигателями. [ нужна цитата ]
Специальные реактивные двигатели, разработанные для приведения в движение ротора от его законцовок, называются законцовыми струями . Форсунки с наконечниками, приводимые в движение выносным компрессором, называются форсунками с холодными наконечниками, а форсунки, питаемые от выхлопных газов сгорания, называются форсунками с горячим наконечником. Примером вертолета с холодным реактивным двигателем является Sud-Ouest Djinn , а примером реактивного вертолета с горячим наконечником — YH-32 Hornet . [ нужна цитата ]
Некоторые радиоуправляемые вертолеты и меньшие по размеру беспилотные летательные аппараты вертолетного типа используют электродвигатели или мотоциклетные двигатели. [11] Радиоуправляемые вертолеты также могут иметь поршневые двигатели , в которых используется иное топливо, чем бензин, например нитрометан . Некоторые газотурбинные двигатели, обычно используемые в вертолетах, также могут использовать биодизель вместо реактивного топлива. [12] [13]
Есть также вертолеты с человеческим приводом .
Вертолет имеет четыре входа управления полетом. Это циклическая, коллективная, антикрутящая педали и педаль газа. Циклический регулятор обычно расположен между ногами пилота и в народе называется циклической ручкой или просто циклическим . На большинстве вертолетов циклический переключатель похож на джойстик. Однако Robinson R22 и Robinson R44 имеют уникальную систему циклического управления балансирующей штангой, а некоторые вертолеты имеют циклическое управление, которое спускается в кабину сверху. [ нужна цитата ]
Управление называется циклическим, поскольку оно изменяет циклический шаг основных лопастей. В результате диск несущего винта наклоняется в определенном направлении, в результате чего вертолет движется в этом направлении. Если пилот толкает циклик вперед, диск несущего винта наклоняется вперед, и ротор создает тягу в прямом направлении. Если пилот толкает циклик в сторону, диск несущего винта наклоняется в эту сторону и создает тягу в этом направлении, заставляя вертолет зависать вбок. [ нужна цитата ]
Регулятор общего шага или коллективный расположен с левой стороны сиденья пилота с настраиваемым регулятором трения для предотвращения непреднамеренного движения. Коллектив изменяет угол наклона всех лопастей несущего винта коллективно (т.е. всех одновременно) и независимо от их положения. Следовательно, если вводится коллективный ввод, все лопасти изменяются одинаково, и в результате высота вертолета увеличивается или уменьшается. [ нужна цитата ]
Автомат перекоса управляет общим и циклическим шагом основных лопастей. Автомат перекоса перемещается вверх и вниз вдоль главного вала, изменяя шаг обеих лопастей. Это заставляет вертолет толкать воздух вниз или вверх, в зависимости от угла атаки . Автомат перекоса также может изменять свой угол, чтобы перемещать угол лопастей вперед или назад или влево и вправо, чтобы вертолет двигался в этих направлениях. [ нужна цитата ]
Педали противодействия крутящему моменту расположены в том же положении, что и педали руля направления в самолете, и служат той же цели, а именно для управления направлением, в котором направлен нос самолета. Нажатие педали в заданном направлении изменяет шаг лопастей рулевого винта, увеличивая или уменьшая тягу, создаваемую рулевым винтом, и вызывая отклонение носа в направлении нажатой педали. Педали механически изменяют шаг рулевого винта, изменяя величину создаваемой тяги. [ нужна цитата ]
Несущие винты вертолета предназначены для работы в узком диапазоне оборотов в минуту . [14] [15] [16] [17] [18] Дроссель управляет мощностью, вырабатываемой двигателем, который соединен с ротором посредством коробки передач с фиксированным передаточным числом. Целью дроссельной заслонки является поддержание достаточной мощности двигателя для поддержания оборотов ротора в допустимых пределах, чтобы ротор создавал достаточную подъемную силу для полета. В одномоторных вертолетах рычаг управления дроссельной заслонкой представляет собой поворотную рукоятку мотоциклетного типа , установленную на коллективном органе управления, тогда как в двухмоторных вертолетах имеется рычаг управления питанием для каждого двигателя. [ нужна цитата ]
Составной вертолет имеет дополнительную систему тяги и, как правило, небольшое короткое неподвижное крыло . Это разгружает несущий винт в крейсерском режиме, что позволяет замедлить его вращение , тем самым увеличивая максимальную скорость самолета. Lockheed AH-56A Cheyenne во время полета вперед перенаправлял до 90% мощности двигателя на толкающий винт . [19]
У вертолета есть три основных режима полета: зависание, полет вперед и переход между ними.
.jpg/1280px-Advanced_Helicopter_Rescue_School_(cropped).jpg)
Парение — самая сложная часть управления вертолетом. Это связано с тем, что во время зависания вертолет генерирует собственный порывистый воздух, который воздействует на фюзеляж и поверхности управления полетом. Результатом являются постоянные управляющие воздействия и корректировки со стороны пилота, позволяющие удерживать вертолет там, где он должен находиться. [20] Несмотря на сложность задачи, управление при наведении простое. Циклический служит для устранения дрейфа в горизонтальной плоскости, то есть для управления вперед-назад, вправо-влево. Коллектив используется для поддержания высоты. Педали используются для управления направлением носа или курсом . Именно взаимодействие этих элементов управления делает наведение таким трудным, поскольку регулировка любого одного элемента управления требует настройки двух других, создавая цикл постоянной коррекции. [ нужна цитата ]
Когда вертолет переходит из режима зависания в полет вперед, он входит в состояние, называемое поступательной подъемной силой , которое обеспечивает дополнительную подъемную силу без увеличения мощности. Чаще всего это состояние возникает, когда воздушная скорость достигает примерно 16–24 узлов (30–44 км/ч; 18–28 миль в час), и это может быть необходимо вертолету для полета. [ нужна цитата ]
В прямом полете органы управления вертолетом ведут себя больше как органы управления самолетом. Приложение давления вперед на циклический мотоцикл приведет к тангажу носа вниз, что приведет к увеличению скорости полета и потере высоты. Кормовой циклический режим приведет к тангажу носа, замедляя вертолет и заставляя его набирать высоту. Увеличение коллективной мощности (мощности) при сохранении постоянной воздушной скорости приведет к набору высоты, а уменьшение коллективной скорости приведет к снижению. Координация этих двух входных сигналов (совместный вниз плюс циклический назад или общий вверх плюс циклический вперед) приведет к изменению воздушной скорости при сохранении постоянной высоты. Педали выполняют одну и ту же функцию как на вертолете, так и на самолете, обеспечивая сбалансированный полет. Это делается путем нажатия педали в любом направлении, необходимом для центрирования шара в индикаторе поворота и крена . [ нужна цитата ]
Благодаря эксплуатационным характеристикам вертолета — его способности вертикально взлетать и приземляться, а также длительному зависанию, а также управляемости самолета в условиях низкой скорости полета — он оказался выгодным для решения задач, которые ранее не решались. были возможны с другими самолетами или требовали много времени или усилий для выполнения на земле. Сегодня вертолеты используются для перевозки людей и грузов, в военных целях, строительстве, тушении пожаров, поисково-спасательных операциях , туризме , медицинском транспорте, правоохранительных органах, сельском хозяйстве, новостях и средствах массовой информации , а также воздушном наблюдении . [21]
Вертолет, используемый для перевозки грузов, соединенных с длинными тросами или стропами, называется воздушным краном . Воздушные краны используются для размещения тяжелого оборудования, такого как башни радиопередачи и большие установки кондиционирования воздуха, на вершинах высотных зданий или когда объект необходимо поднять в удаленном месте, например, радиовышку, поднятую на вершину холм или гора. Вертолеты используются в качестве воздушных кранов в лесозаготовительной отрасли для подъема деревьев с местности, где транспортные средства не могут передвигаться и где экологические проблемы запрещают строительство дорог. [22] Эти операции называются ярусными из-за длинного одинарного стропа, используемого для перевозки груза. [23] На военной службе вертолеты часто используются для доставки негабаритных подвешенных грузов, которые не помещаются в обычный грузовой самолет: артиллерийских орудий, крупной техники (полевые радары, средства связи, электрические генераторы) или поддонов с сыпучими грузами. В ходе военных операций эти полезные грузы часто доставляются в отдаленные места, недоступные из-за гористой или речной местности или кораблей ВМФ на море. [ нужна цитата ]
При электронном сборе новостей с конца 1960-х годов вертолеты обеспечивают съемку некоторых важных новостей с воздуха. Вертолеты также использовались в фильмах как перед камерой, так и за ней. [24]
Крупнейшей небоевой вертолетной операцией в истории стала операция по ликвидации последствий катастрофы после Чернобыльской ядерной катастрофы 1986 года . Сотни пилотов участвовали в десантировании и наблюдательных миссиях, совершая десятки боевых вылетов в день в течение нескольких месяцев. [ нужна цитата ]
« Хелитак » — это использование вертолетов для борьбы с лесными пожарами . [25] Вертолеты используются для тушения пожаров с воздуха (водяных бомбардировок) и могут быть оснащены баками или вертолетными ведрами . Вертолетные ведра, такие как ведро Бэмби, обычно заполняются путем погружения ведра в озера, реки, водохранилища или переносные резервуары. Резервуары, установленные на вертолетах, заполняются из шланга, пока вертолет находится на земле, или вода откачивается из озер или водохранилищ через подвешенную трубку, когда вертолет зависает над источником воды. Вертолеты Helitack также используются для доставки пожарных, которые спускаются в недоступные места, а также для пополнения запасов пожарных. Обычные пожарные вертолеты включают варианты Bell 205 и гелитанкера Erickson S-64 Aircrane. [ нужна цитата ]
Вертолеты используются в качестве машин скорой медицинской помощи для оказания неотложной медицинской помощи в ситуациях, когда машина скорой помощи не может легко или быстро добраться до места происшествия или не может вовремя доставить больного в медицинское учреждение. Вертолеты также используются, когда пациентов необходимо перевозить между медицинскими учреждениями, и воздушный транспорт является наиболее практичным методом. Вертолет санитарной авиации оборудован для стабилизации и оказания ограниченной медицинской помощи пациенту во время полета. Использование вертолетов в качестве машин скорой помощи часто называют « медицинской эвакуацией », а пациентов называют «доставленными по воздуху» или «медицинской эвакуацией». Такое использование было впервые использовано во время Корейской войны , когда время, необходимое для достижения медицинского учреждения, было сокращено до трех часов с восьми часов, необходимых во время Второй мировой войны , и еще больше сократилось до двух часов во время войны во Вьетнаме . [26] В военно-морской службе основной функцией спасательных вертолетов является быстрое восстановление сбитого экипажа, попавшего в аварию при запуске или подъеме на борт авианосца. В прошлые годы эту функцию выполняли эсминцы, сопровождающие авианосец, но с тех пор гораздо более эффективными оказались вертолеты. [ нужна цитата ]
Полицейские управления и другие правоохранительные органы используют вертолеты для преследования подозреваемых и патрулирования неба. Поскольку вертолеты позволяют получить уникальный вид с воздуха, их часто используют совместно с наземной полицией для сообщения о местонахождении и передвижениях подозреваемых. На них часто устанавливают осветительное и теплоизмерительное оборудование для ночных занятий.
.jpg/1280px-KPRC_-_IAH_(cropped).jpg)
Военные используют ударные вертолеты для нанесения воздушных ударов по наземным целям. Такие вертолеты оснащены ракетными установками и миниганами . Транспортные вертолеты используются для переправки войск и грузов там, где отсутствие взлетно-посадочной полосы делает невозможным транспортировку самолетами. Использование транспортных вертолетов для доставки войск в качестве ударной силы по объекту называется « воздушным штурмом ». Беспилотные авиационные системы (БПЛА) Вертолетные системы различных размеров разрабатываются компаниями для выполнения задач военной разведки и наблюдения . Для противолодочной борьбы военно-морские силы также используют вертолеты, оснащенные гидролокатором погружения , поскольку они могут действовать с небольших кораблей. [ нужна цитата ]
Нефтяные компании арендуют вертолеты для быстрой перевозки рабочих и запчастей на удаленные буровые площадки, расположенные в море или в отдаленных местах. Преимущество в скорости по сравнению с лодками делает высокие эксплуатационные расходы вертолетов экономически эффективными для обеспечения продолжения работы нефтяных платформ . На этом виде операций специализируются различные компании. [ нужна цитата ]
НАСА разработало Ingenuity , вертолет массой 1,8 кг (4,0 фунта), используемый для исследования Марса (вместе с марсоходом). Он начал службу в феврале 2021 года и был выведен из эксплуатации из-за повреждения лопастей несущего винта в январе 2024 года после 73 боевых вылетов. Поскольку марсианская атмосфера в 100 раз тоньше земной, две ее лопасти вращаются со скоростью около 3000 оборотов в минуту, что примерно в 10 раз быстрее, чем у земного вертолета. [27]
В 2017 году было поставлено 926 гражданских вертолетов на сумму 3,68 миллиарда долларов США, во главе с Airbus Helicopters - 1,87 миллиарда долларов за 369 вертолетов, Leonardo Helicopters с 806 миллионами долларов за 102 вертолета (только первые три четверти), Bell Helicopter с 696 миллионами долларов за 132 вертолета, затем Robinson Helicopter с 132 вертолетами. 161 миллион долларов за 305. [28]
К октябрю 2018 года парк находящихся в эксплуатации и на хранении вертолетов гражданских и государственных операторов насчитывал 38 570 единиц. Лидировала компания Robinson Helicopters с 24,7%, за ней следовали Airbus Helicopters с 24,4%, затем Bell с 20,5 и Leonardo с 8,4%, Вертолеты России с 7,7%, Sikorsky Aircraft с 7,2%, MD Helicopters с 3,4% и другие с 2,2%. Самая распространенная модель — поршневая Robinson R44 с тиражом 5600 штук, затем H125/ AS350 с тиражом 3600 штук, а затем Bell 206 с тиражом 3400 штук. Большинство из них находились в Северной Америке с 34,3%, затем в Европе с 28,0%, за которыми следовали Азиатско-Тихоокеанский регион с 18,6%, Латинская Америка с 11,6%, Африка с 5,3% и Ближний Восток с 1,7%. [29]
Самые ранние упоминания о вертикальном полете пришли из Китая. Примерно с 400 г. до н. э. [30] китайские дети играли с бамбуковыми летающими игрушками (или китайским волчком). [31] [32] [33] Этот бамбуковый вертолет вращается путем вращения палки, прикрепленной к ротору. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летит, если ее отпустить. [30] Даосская книга IV века нашей эры « Баопузи» Гэ Хонга (抱朴子«Мастер, который принимает простоту»), как сообщается, описывает некоторые идеи, присущие винтокрылым самолетам. [34]
Конструкции, похожие на китайский игрушечный вертолет, появлялись на некоторых картинах и других произведениях эпохи Возрождения. [35] В 18 и начале 19 веков западные учёные разработали летательные аппараты на основе китайской игрушки. [36]
Лишь в начале 1480-х годов, когда итальянский эрудит Леонардо да Винчи создал конструкцию машины, которую можно было бы назвать « воздушным винтом », был сделан какой-либо зарегистрированный прогресс в направлении вертикального полета. В его записях говорилось, что он строил небольшие летающие модели, но не было никаких указаний на какие-либо меры, которые могли бы помешать ротору заставить корабль вращаться. [37] [38] По мере того, как научные знания росли и становились все более общепринятыми, люди продолжали преследовать идею вертикального полета. [ нужна цитата ]
В июле 1754 года русский Михаил Ломоносов разработал небольшой коаксиальный двигатель по образцу китайского волчка, но с приводом от заводной пружины [36] и продемонстрировал его Российской академии наук . Он приводился в действие пружиной и был предложен для подъема метеорологических приборов. В 1783 году Кристиан де Лонуа и его механик Бьенвеню использовали соосную версию китайского волчка в модели, состоящей из вращающихся в противоположных направлениях маховых перьев индейки [36] в качестве лопастей ротора, а в 1784 году продемонстрировали его Французской академии наук . Сэр Джордж Кэли , под влиянием детского увлечения китайским летающим волчком, разработал модель перьев, похожую на модель Лаунуа и Бьенвеню, но приводящуюся в движение резиновыми лентами. К концу века он перешел к использованию листов жести для изготовления лопастей ротора и пружин для привода. Его статьи об экспериментах и моделях оказали влияние на будущих пионеров авиации. [37] Альфонс Пено позже в 1870 году разработал модели вертолетов с соосным ротором, также приводимые в движение резиновыми лентами. Одна из этих игрушек, подаренная отцом, вдохновила братьев Райт осуществить мечту о полете. [39]
В 1861 году слово «вертолет» было придумано Гюставом де Понтоном д'Амекуром, французским изобретателем, продемонстрировавшим небольшую модель с паровым двигателем. Несмотря на то, что модель прославилась как инновационное использование нового металла, алюминия, она так и не оторвалась от земли. Лингвистический вклад Д'Амекура сохранился и в конечном итоге описал вертикальный полет, который он себе представлял. Паровая энергия была популярна и среди других изобретателей. В 1878 году беспилотный аппарат итальянца Энрико Форланини , также оснащенный паровым двигателем, поднялся на высоту 12 метров (39 футов), где после вертикального взлета зависал около 20 секунд. Конструкция Эммануэля Дьеаида с паровым приводом включала роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, приводимые в движение через шланг от котла на земле. [37] В 1887 году парижский изобретатель Гюстав Труве построил и управлял привязной электрической моделью вертолета. [ нужна цитата ]
В июле 1901 года состоялся первый полет вертолета Германа Гансвиндта в районе Берлин-Шёнеберг; Вероятно, это был первый полет с двигателем тяжелее воздуха, на борту которого находились люди. Фильм, освещающий это событие, был снят Максом Складановским , но он так и остался утерянным . [40]
В 1885 году Джеймс Гордон Беннетт-младший дал Томасу Эдисону 1000 долларов США (что эквивалентно 33 000 долларов сегодня) на проведение экспериментов по развитию полета. Эдисон построил вертолет и использовал бумагу в качестве биржевого билета для создания пушечного хлопка , с помощью которого он попытался привести в действие двигатель внутреннего сгорания. Вертолет был поврежден взрывами, а один из его работников сильно обгорел. Основываясь на своих экспериментах, Эдисон сообщил, что для достижения успеха потребуется двигатель с соотношением от трех до четырех фунтов на лошадиную силу. [41] Ян Бахиль , словацкий изобретатель, приспособил двигатель внутреннего сгорания для привода своей модели вертолета, высота которого достигла 0,5 метра (1,6 фута) в 1901 году. 5 мая 1905 года его вертолет достиг высоты 4 метра (13 футов). и пролетел более 1500 метров (4900 футов). [42] В 1908 году Эдисон запатентовал свою собственную конструкцию вертолета с бензиновым двигателем и коробчатыми воздушными змеями, прикрепленными к мачте с помощью тросов для ротора, [43] но он так и не поднялся в воздух. [44]
В 1906 году два брата-француза, Жак и Луи Бреге , начали экспериментировать с аэродинамическими профилями для вертолетов. В 1907 году в результате этих экспериментов был создан автожир №1 , возможно, самый ранний известный образец квадрокоптера. Хотя относительно даты существует некоторая неопределенность, где-то между 14 августа и 29 сентября 1907 года автожир № 1 поднял своего пилота в воздух примерно на 0,6 метра (2 фута) на минуту. [1] Автожир № 1 оказался крайне неустойчивым, и для его удержания в каждом углу планера требовалось присутствие человека. По этой причине полеты автожира №1 считаются первым пилотируемым полетом вертолета, а не свободным или отвязным полетом. [ нужна цитата ]
В том же году французский изобретатель Поль Корню спроектировал и построил вертолет Cornu , в котором использовались два винта диаметром 6,1 метра (20 футов), вращающиеся в противоположных направлениях, приводимые в движение двигателем Antoinette мощностью 24 л.с. (18 кВт) . 13 ноября 1907 года он поднял своего изобретателя на высоту 0,3 метра (1 фут) и оставался в воздухе 20 секунд. Хотя этот полет не превзошел полет автожира № 1, сообщалось, что это был первый по-настоящему свободный полет с пилотом. [n 1] Вертолет Корню совершил еще несколько полетов и достиг высоты почти 2,0 метра (6,5 футов), но оказался неустойчивым и был заброшен. [1]
В 1909 году Дж. Ньютон Уильямс из Дерби, штат Коннектикут, и Эмиль Берлинер из Вашингтона, округ Колумбия, «трижды» летали на вертолете в лаборатории Берлинера в вашингтонском районе Брайтвуд . [45]
В 1911 году словенский философ и экономист Иван Слокар запатентовал конструкцию вертолета. [46] [47] [48]
Датский изобретатель Якоб Эллехаммер построил вертолет Эллехаммер в 1912 году. Он состоял из рамы, оснащенной двумя дисками, вращающимися в противоположных направлениях, каждый из которых был оснащен шестью лопатками по окружности. После испытаний в закрытых помещениях самолет был продемонстрирован на открытом воздухе и совершил несколько свободных взлетов. Эксперименты с вертолетом продолжались до сентября 1916 года, когда при взлете он опрокинулся, разрушив несущие винты. [49]
Во время Первой мировой войны Австро-Венгрия разработала PKZ , экспериментальный прототип вертолета, было построено два самолета. [ нужна цитата ]
В начале 1920-х годов аргентинец Рауль Патерас-Пескара де Кастеллуччо , работая в Европе, продемонстрировал одно из первых успешных применений циклического шага. [1] Соосные, вращающиеся в противоположных направлениях, бипланные роторы можно было деформировать, чтобы циклически увеличивать и уменьшать создаваемую ими подъемную силу. Ступица несущего винта также могла быть наклонена вперед на несколько градусов, что позволяло самолету двигаться вперед без отдельного пропеллера, который толкал бы или тянул его. Патерасу-Пескаре также удалось продемонстрировать принцип авторотации . К январю 1924 года вертолет № 1 Пескары прошел испытания, но оказался недостаточно мощным и не мог поднять собственный вес. Его 2F показал себя лучше и установил рекорд. [50] Британское правительство профинансировало дальнейшие исследования Пескары, в результате которых был создан вертолет № 3, оснащенный радиальным двигателем мощностью 250 лошадиных сил (190 кВт), который мог летать до десяти минут. [51] [52]
В марте 1923 года журнал Time сообщил, что Томас Эдисон отправил Джорджу де Ботеза поздравление с успешным испытательным полетом вертолета. Эдисон написал: «Насколько мне известно, вы создали первый успешный вертолет». Вертолет прошел испытания на Маккукс-Филд и оставался в воздухе 2 минуты 45 секунд на высоте 15 футов. [53]
14 апреля 1924 года француз Этьен Омишен установил первый мировой рекорд вертолета, признанный Международной авиационной федерацией (FAI), пролетев на своем квадрокоптере на высоту 360 метров (1180 футов). [54] 18 апреля 1924 года Пескара побила рекорд Оемихена, пролетев расстояние 736 метров (2415 футов) [50] (почти 0,80 километра или 0,5 мили) за 4 минуты 11 секунд (около 13 км/ч или 8 миль). миль в час), сохраняя высоту 1,8 метра (6 футов). [55] 4 мая Омихен совершил первый полет на вертолете замкнутого цикла длиной один километр (0,62 мили) за 7 минут 40 секунд на своей машине № 2. [1] [56]
В США Джордж де Ботеза построил квадрокоптер de Bothezat для Воздушной службы армии США, но армия отменила программу в 1924 году, и самолет был списан. [ нужна цитата ]
Альберт Гиллис фон Баумхауэр , голландский авиационный инженер, начал изучать конструкцию винтокрылой машины в 1923 году. Его первый прототип «полетел» («подпрыгнул» и завис в реальности) 24 сентября 1925 года [57] вместе с капитаном голландской армии и авиации Флорисом Альбертом ван. Хейст за штурвалом. Средства управления, которые использовал ван Хейст, были изобретениями фон Баумхауэра, циклическими и коллективными . [58] [59] Патенты были выданы фон Баумхауэру на его циклический и коллективный контроль британским министерством авиации 31 января 1927 года под номером патента 265,272. [ нужна цитата ]
В 1927 году [60] Энгельберт Зашка из Германии построил вертолёт, оснащенный двумя несущими винтами, в котором для повышения устойчивости использовался гироскоп , служащий аккумулятором энергии при планирующем полёте для совершения посадки. Самолет Зашки, первый вертолет, когда-либо столь успешно работавший в миниатюре, не только поднимается и опускается вертикально, но и способен оставаться неподвижным на любой высоте. [61] [62]
В 1928 году венгерский авиационный инженер Оскар Асбот построил прототип вертолета, который взлетал и приземлялся не менее 182 раз, с максимальной продолжительностью одного полета 53 минуты. [63] [64]
В 1930 году итальянский инженер Коррадино Д'Асканио построил свой D'AT3, вертолет соосной схемы. Его относительно большая машина имела два двухлопастных ротора, вращающихся в противоположных направлениях. Управление достигалось за счет использования вспомогательных крыльев или сервоприводов на задних кромках лопастей [65] — концепция, которая позже была принята другими конструкторами вертолетов, в том числе Бликером и Кейманом. Три небольших гребных винта, прикрепленных к планеру, использовались для дополнительного управления по тангажу, крену и рысканию. D'AT3 на то время установил скромные рекорды скорости и высоты FAI, включая высоту (18 м или 59 футов), продолжительность (8 минут 45 секунд) и пройденное расстояние (1078 м или 3540 футов). [65] [66]
Испанский авиационный инженер и пилот Хуан де ла Сьерва изобрел автожир в начале 1920-х годов, став первым практичным винтокрылым аппаратом. [67] В 1928 году де ла Сьерва успешно перелетел на автожире через Ла-Манш, из Лондона в Париж. [68] В 1934 году автожир стал первым винтокрылым аппаратом, успешно взлетевшим и приземлившимся на палубу корабля. [69] В том же году автожир использовался испанскими военными во время восстания в Астурии , став первым военным применением вертолета. До изобретения вертолета автожиры также использовались в Нью-Джерси и Пенсильвании для доставки почты и газет. [70] Несмотря на отсутствие возможности истинного вертикального полета, работа над автожиром составляет основу для анализа вертолета. [71]
В Советском Союзе Борис Н. Юрьев и Алексей М. Черемухин, два авиационных инженера, работавшие в Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ или Центральный аэрогидродинамический институт), построили и управляли одновинтовым вертолетом ЦАГИ 1-ЭА, который использовал открытая конструкция труб, четырехлопастной несущий винт и сдвоенные комплекты двухлопастных рулевых винтов диаметром 1,8 метра (5,9 фута): один комплект из двух в носовой части и один из двух в хвостовом. Оснащенный двумя силовыми установками М-2, модернизированными копиями роторного двигателя Gnome Monosoupape 9 Type B-2 мощностью 100 л.с. времен Первой мировой войны, ЦАГИ 1-ЭА совершил несколько полетов на малой высоте. [72] К 14 августа 1932 года Черемухину удалось поднять 1-EA на неофициальную высоту 605 метров (1985 футов), побив раннее достижение д'Асканио. Однако, поскольку Советский Союз еще не был членом ФАИ , послужной список Черемухина остался непризнанным. [73]
Николя Флорин , русский инженер, построил первую двухвинтовую машину с тандемным винтом, способную совершать свободный полет. Он совершил полет в Синт-Генезиус-Роде , в Авиационной лаборатории Бельгии (ныне Институт фон Кармана ) в апреле 1933 года, достиг высоты шести метров (20 футов) и продолжительности полета восемь минут. Флорин выбрал конфигурацию совместного вращения, потому что гироскопическая стабильность роторов не отменялась. Поэтому роторы приходилось слегка наклонять в противоположные стороны, чтобы противодействовать крутящему моменту. Использование бесшарнирных несущих винтов и совместного вращения также минимизировало нагрузку на корпус. В то время это был один из самых устойчивых вертолетов из существующих. [74]
Лаборатория автожиров Бреге-Доран была построена в 1933 году. Это был соосный вертолет противоположного вращения. После многих наземных испытаний и аварии он впервые поднялся в воздух 26 июня 1935 года. За короткое время самолет установил рекорды под управлением пилота Мориса Клайса. 14 декабря 1935 года он установил рекорд полета по замкнутому контуру диаметром 500 метров (1600 футов). [75] В следующем году, 26 сентября 1936 года, Клэсс установила рекорд высоты 158 метров (518 футов). [76] И, наконец, 24 ноября 1936 года он установил рекорд продолжительности полета в один час, две минуты и 50 секунд [77] по замкнутому кругу длиной 44 километра (27 миль) со скоростью 44,7 километра в час (27,8 миль в час). Самолет был уничтожен в 1943 году авиаударом союзников по аэропорту Виллакубле . [78]
Американский изобретатель Артур М. Янг начал работу над моделями вертолетов в 1928 году, используя переделанные электрические двигатели на воздушной подушке для приведения в движение головки несущего винта. Янг изобрел стабилизатор поперечной устойчивости и вскоре запатентовал его. Общий друг познакомил Янга с Лоуренсом Дейлом, который, увидев его работу, предложил ему присоединиться к компании Bell Aircraft. Когда Янг прибыл в Bell в 1941 году, он подписал свой патент и начал работу над вертолетом. Его бюджет составлял 250 000 долларов США (что эквивалентно 5 миллионам долларов сегодня) на постройку двух рабочих вертолетов. Всего за шесть месяцев они завершили первую модель Bell Model 1, которая породила Bell Model 30 , на смену которой позже пришел Bell 47. [79]
Генрих Фокке из Focke-Wulf приобрел лицензию у компании Cierva Autogiro , которая, по словам Фрэнка Кингстона Смита-старшего , включала «полностью управляемую систему ступицы циклического / коллективного шага». Взамен Cierva Autogiro получила перекрестную лицензию на производство вертолетов Focke-Achgelis. Фокке спроектировал первый в мире практический поперечный двухвинтовой вертолет Focke-Wulf Fw 61 , который впервые поднялся в воздух в июне 1936 года. Fw 61 пролетел на высоте более 8000 футов (2400 м) со скоростью 120 миль в час (190 км/ч). час). Развитие автожиров теперь уступило место вертолетам. [80]
Во время Второй мировой войны нацистская Германия использовала небольшое количество вертолетов для наблюдения, транспортировки и медицинской эвакуации. Синхроптер Flettner Fl 282 Kolibri , имеющий ту же базовую конфигурацию, что и новаторский Fl 265 Антона Флеттнера , использовался в Средиземноморье, а двухвинтовой вертолет Focke Achgelis Fa 223 Drache использовался в Европе. [ нужна цитата ] Обширные бомбардировки союзных войск не позволили Германии производить вертолеты в больших количествах во время войны.
В Соединенных Штатах инженер российского происхождения Игорь Сикорский и Винн Лоуренс ЛеПейдж соревновались в производстве первого вертолета для вооруженных сил США. LePage получила патентные права на разработку вертолетов по образцу Fw 61 и построила XR-1 . [81] Тем временем Сикорский остановился на более простой конструкции с одним несущим винтом, VS-300 , которая оказалась первой практической конструкцией вертолета с одним подъемным винтом. Поэкспериментировав с конфигурациями противодействия крутящему моменту, создаваемому одним несущим винтом, Сикорский остановился на единственном несущем винте меньшего размера, установленном на хвостовой балке. [ нужна цитата ]
Разработанный на базе VS-300, R-4 компании Sikorsky стал первым крупносерийным вертолетом серийного производства, на производство которого было заказано 100 самолетов. R-4 был единственным вертолетом союзников, служившим во Второй мировой войне, в первую очередь для поисково-спасательных операций ( 1-й воздушной группой коммандос USAAF ) в бирманской кампании ; [82] на Аляске; и в других районах с суровым рельефом. Общий объем производства достиг 131 вертолета, прежде чем R-4 был заменен другими вертолетами Sikorsky, такими как R-5 и R-6 . Всего до конца Второй мировой войны компания Sikorsky произвела более 400 вертолетов. [83]
Пока Лепейдж и Сикорски строили свои вертолеты для военных, Bell Aircraft наняла Артура Янга для помощи в создании вертолета с использованием конструкции двухлопастного балансирующего винта Янга , в которой использовался утяжеленный стабилизатор поперечной устойчивости , расположенный под углом 90 ° к лопастям несущего винта. Последующий вертолет Model 30 продемонстрировал простоту конструкции и удобство использования. Модель 30 была развита в Bell 47 , который стал первым вертолетом, сертифицированным для гражданского использования в США. Bell 47, производившийся в нескольких странах, был самой популярной моделью вертолета на протяжении почти 30 лет. [ нужна цитата ]
В 1951 году по настоянию своих знакомых в Военно-морском ведомстве Чарльз Кейман модифицировал свой синхроптер К-225 — конструкцию двухвинтового вертолета, впервые предложенную Антоном Флеттнером в 1939 году, с вышеупомянутым поршневым двигателем Fl 265. дизайн в Германии — с новым типом двигателя — турбовальным двигателем. Эта адаптация газотурбинного двигателя обеспечила вертолету Кеймана большую мощность при меньшем весе, чем поршневые двигатели с их тяжелыми блоками цилиндров и вспомогательными компонентами. 11 декабря 1951 года «Каман К-225» стал первым в мире вертолетом с газотурбинным двигателем. Два года спустя, 26 марта 1954 года, модифицированный ВМФ HTK-1, еще один вертолет Kaman, стал первым двухтурбинным вертолетом, совершившим полет. [84] Однако именно Sud Aviation Alouette II стал первым вертолетом, выпускаемым с газотурбинным двигателем. [85]
Надежные вертолеты, способные стабильно летать на висении, были разработаны спустя десятилетия после самолетов. Во многом это связано с более высокими требованиями к удельной мощности двигателей, чем у самолетов. Улучшения в топливе и двигателях в первой половине 20-го века были решающим фактором в развитии вертолетов. Доступность легких турбовальных двигателей во второй половине 20-го века привела к разработке более крупных, быстрых и высокопроизводительных вертолетов. Хотя меньшие и менее дорогие вертолеты по-прежнему используют поршневые двигатели, турбовальные двигатели сегодня являются предпочтительной силовой установкой для вертолетов. [ нужна цитата ]
Есть несколько причин, по которым вертолет не может летать так же быстро, как самолет. Когда вертолет зависает, внешние кончики несущего винта перемещаются со скоростью, определяемой длиной лопасти и скоростью вращения. Однако в движущемся вертолете скорость лопастей относительно воздуха зависит как от скорости вертолета, так и от скорости их вращения. Скорость полета наступающей лопасти несущего винта значительно выше скорости самого вертолета. Это лезвие может превышать скорость звука и, таким образом, производить значительно увеличенное сопротивление и вибрацию. [ нужна цитата ]
В то же время, продвигающаяся лопасть создает большую подъемную силу при движении вперед, отступающая лопасть создает меньшую подъемную силу. Если бы самолет разогнался до воздушной скорости, при которой вращаются кончики лопастей, отступающая лопасть проходит через воздух, движущийся с той же скоростью, что и лопасти, и вообще не создает подъемной силы, что приводит к очень высоким крутящим нагрузкам на центральный вал, которые могут опрокинуть сторону автомобиля с отступающим отвалом и привести к потере управления. Двойные лезвия, вращающиеся в противоположных направлениях, предотвращают эту ситуацию благодаря наличию двух продвигающихся и двух отступающих лезвий со сбалансированными силами. [ нужна цитата ]
Поскольку наступающая лопасть имеет более высокую скорость полета, чем отступающая, и создает асимметрию подъемной силы , лопасти несущего винта сконструированы так, чтобы «хлопать» - подниматься и поворачиваться таким образом, что наступающая лопасть поднимается вверх и развивает меньший угол атаки. И наоборот, отступающая лопасть опускается вниз, развивает больший угол атаки и создает большую подъемную силу. На высоких скоростях сила, действующая на несущие винты, такова, что они чрезмерно «хлопают», а отступающая лопасть может достичь слишком большого угла и остановиться. По этой причине максимальной безопасной скорости полета вертолета вперед присвоен расчетный рейтинг VNE , скорость , которая никогда не превышает . [86] Кроме того, вертолет может лететь на такой скорости, при которой слишком большая часть отступающей лопасти останавливается, что приводит к сильной вибрации, тангажу и крену в отступающую лопасть. [ нужна цитата ]
В конце 20 века конструкторы начали работать над снижением шума вертолетов . Городские жители часто выражают большую неприязнь к шумной авиации или шумным самолетам, а полицейские и пассажирские вертолеты могут быть непопулярными из-за звука. Модернизация последовала за закрытием некоторых городских вертолетных площадок и действиями правительства по ограничению маршрутов полетов в национальных парках и других местах природной красоты. [ нужна цитата ]
Для снижения вибрации все вертолеты имеют регулировку несущего винта по высоте и весу. Неотрегулированный вертолет может легко вибрировать так сильно, что развалится на части. Высота лезвия регулируется путем изменения шага лезвия. Вес регулируется путем добавления или удаления грузов на головке ротора и/или на торцевых крышках лопастей. Большинство из них также имеют демпферы вибрации по высоте и шагу. Некоторые также используют механические системы обратной связи для обнаружения и противодействия вибрации. Обычно система обратной связи использует массу в качестве «стабильной опоры», а рычажная связь массы приводит в действие заслонку, регулирующую угол атаки ротора для противодействия вибрации. Регулировка может быть сложной, отчасти потому, что измерение вибрации затруднено и обычно требует установки сложных акселерометров, установленных по всему планеру и коробкам передач. Наиболее распространенная система измерения вибрации лопастей заключается в использовании стробоскопической лампы-вспышки и наблюдении нарисованной маркировки или цветных отражателей на нижней стороне лопастей несущего винта. Традиционная низкотехнологичная система заключается в том, чтобы наносить цветной мел на кончики ротора и смотреть, как он размечает льняной лист. Системы мониторинга работоспособности и использования (HUMS) обеспечивают мониторинг вибрации, а также решения по отслеживанию и балансировке ротора для ограничения вибрации. [87] Вибрация коробки передач чаще всего требует капитального ремонта или замены коробки передач. Вибрации коробки передач или трансмиссии могут быть чрезвычайно вредны для пилота. Наиболее серьезными последствиями являются боль, онемение и потеря тактильной дискриминации или ловкости. [ нужна цитата ]
У стандартного вертолета с одним несущим винтом кончики лопастей несущего винта создают в воздухе вихревое кольцо, представляющее собой спирально вращающийся воздушный поток. По мере того как корабль движется вперед, эти вихри остаются позади него. [ нужна цитата ]
При зависании с прямым диагональным боковым ветром или движении в прямом диагональном направлении вращающиеся вихри, исходящие от лопастей несущего винта, будут совпадать с вращением рулевого винта и вызывать нестабильность управления полетом. [88]
Когда хвостовые вихри, сталкивающиеся с рулевым винтом, вращаются в одном направлении, это приводит к потере тяги рулевого винта. Когда вихри вращаются в направлении, противоположном рулевому винту, тяга увеличивается. Использование ножных педалей необходимо для регулировки угла атаки рулевого винта, чтобы компенсировать эту нестабильность. [ нужна цитата ]
Эти проблемы возникают из-за того, что открытый хвостовой винт прорезает открытый воздух вокруг задней части автомобиля. Эта проблема исчезает, когда вместо этого хвостовое оперение выведено в воздуховод с использованием внутренней крыльчатки, заключенной в хвостовую часть, и струи воздуха под высоким давлением, выходящей вбок из хвостовой части, поскольку вихри несущего винта не могут повлиять на работу внутренней крыльчатки. [ нужна цитата ]
Для стандартного вертолета с одним несущим винтом поддержание устойчивого полета при боковом ветре представляет дополнительную проблему управления полетом, поскольку сильный боковой ветер под определенными углами увеличивает или уменьшает подъемную силу несущих винтов. Этот эффект срабатывает и в безветренную погоду при движении корабля по диагонали в различных направлениях, в зависимости от направления вращения несущего винта. [89]
Это может привести к потере управления и аварии или жесткой посадке при движении на малых высотах из-за внезапной неожиданной потери подъемной силы и недостаточности времени и расстояния для восстановления. [ нужна цитата ]
Обычные винтокрылые самолеты используют набор сложных механических коробок передач для преобразования высокой скорости вращения газовых турбин в низкую скорость, необходимую для привода несущего и рулевого винтов. В отличие от силовых установок, механические коробки передач не могут быть дублированы (для резервирования) и всегда были основным слабым местом в надежности вертолета. Катастрофические отказы передач в полете часто приводят к заклиниванию коробки передач и последующим смертельным случаям, а потеря смазки может спровоцировать пожар на борту. [ нужна цитата ] Еще одним недостатком механических коробок передач является их кратковременное ограничение мощности из-за пределов структурной усталости. Недавние исследования EASA указывают на то, что двигатели и трансмиссии являются основной причиной аварий сразу после ошибок пилота. [90]
Напротив, в электромагнитных передачах не используются никакие контактирующие части; следовательно, смазку можно значительно упростить или вообще исключить. Присущая им избыточность обеспечивает хорошую устойчивость к единой точке отказа. Отсутствие шестерен обеспечивает высокую мощность в переходных процессах без влияния на срок службы. Концепция электрической силовой установки вертолета и электромагнитного привода была воплощена в жизнь Паскалем Кретьеном , который спроектировал, построил и управлял первым в мире свободно летающим электрическим вертолетом, несущим человека. Концепция была взята из концептуальной модели автоматизированного проектирования 10 сентября 2010 года до первых испытаний при мощности 30% 1 марта 2011 года - менее шести месяцев. Первый полет самолет совершил 12 августа 2011 года. Все разработки велись в Венеле, Франция. [91] [92]
Как и в случае с любым движущимся транспортным средством, небезопасная эксплуатация может привести к потере управления, повреждению конструкции или гибели людей. Ниже приводится список некоторых потенциальных опасностей для вертолетов:
