Органы управления полетом вертолета используются для достижения и поддержания контролируемого аэродинамического полета вертолета . [1] Изменения в системе управления полетом самолета механически передаются ротору, создавая аэродинамические эффекты на лопастях ротора, которые заставляют вертолет двигаться желаемым образом. Для наклона вперед и назад (тангаж) или вбок (крен) требуется, чтобы органы управления циклически изменяли угол атаки лопастей основного ротора во время вращения, создавая различную величину подъемной силы в разных точках цикла. Для увеличения или уменьшения общей подъемной силы требуется, чтобы органы управления изменяли угол атаки для всех лопастей в совокупности на одинаковую величину одновременно, что приводит к подъему, снижению, ускорению и замедлению.
Типичный вертолет имеет три входа управления полетом: циклический рычаг, общий рычаг и педали противодействия крутящему моменту. [2] В зависимости от сложности вертолета циклический и общий могут быть связаны вместе с помощью смесительного блока , механического или гидравлического устройства, которое объединяет входы от обоих, а затем отправляет «смешанный» вход на поверхности управления для достижения желаемого результата. Ручной дроссель также может считаться управлением полетом, поскольку он необходим для поддержания скорости ротора на небольших вертолетах без регуляторов. Регуляторы также помогают пилоту контролировать общий шаг на основных роторах вертолета, чтобы поддерживать стабильный, более точный полет.
.jpg/1280px-Eurocopter_EC-145_Cockpit_Controls_HeliRussia_2008_(62-39).jpg)
Циклическое управление, обычно называемое циклической ручкой или просто циклической , на большинстве вертолетов похоже по внешнему виду на ручку управления самолета с фиксированным крылом. Циклическая ручка обычно поднимается из-под передней части сиденья каждого пилота. Robinson R22 имеет «качающуюся» циклическую конструкцию, соединенную с центральной колонной, расположенной между двумя сиденьями. Вертолеты с системами управления по проводам позволяют устанавливать контроллер циклического типа сбоку от сиденья пилота.
Циклический используется для управления главным ротором с целью изменения направления движения вертолета. В режиме зависания циклический управляет движением вертолета вперед, назад и вбок. Во время полета вперед циклические входы управления вызывают изменения траектории полета, аналогичные полету самолета с фиксированным крылом; левые или правые входы заставляют вертолет крениться в поворот в желаемом направлении, а входы вперед и назад изменяют тангаж вертолета, что приводит к изменению высоты (подъем или снижение).
Управление называется циклическим, потому что оно независимо изменяет механический угол наклона или угол оперения каждой лопасти основного винта в соответствии с ее положением в цикле. Шаг изменяется таким образом, что каждая лопасть будет иметь тот же угол наклона, когда она проходит одну и ту же точку в цикле, изменяя подъемную силу, создаваемую лопастью в этой точке, и заставляя каждую лопасть изменять свой угол наклона, то есть слегка поворачиваться вдоль своей длинной оси, последовательно, когда она проходит одну и ту же точку. Если эта точка находится прямо по курсу, шаг лопасти кратковременно увеличивается в этом направлении. Таким образом, если пилот толкает циклический вперед, диск ротора наклоняется вперед, и вертолет тянется прямо вперед. Если пилот толкает циклический вправо, диск ротора наклоняется вправо.
Любая роторная система имеет задержку между точкой вращения, где элементы управления вносят изменение в шаг, и точкой, где происходит желаемое изменение в полете лопасти ротора. Эта разница вызвана задержкой фазы , которую часто путают с гироскопической прецессией . Ротор — это колебательная система, которая подчиняется законам, управляющим вибрацией, которая, в зависимости от роторной системы, может напоминать поведение гироскопа.
Управление общим шагом, или рычаг общего шага , обычно располагается с левой стороны сиденья пилота с регулируемым управлением трением для предотвращения непреднамеренного движения. Коллектив изменяет угол наклона всех лопастей основного винта коллективно (т. е. всех одновременно) и не зависит от их положения в цикле вращения. Поэтому, если выполняется коллективное управление, все лопасти изменяются одинаково, и в результате вертолет увеличивает или уменьшает свою общую подъемную силу, получаемую от ротора. В горизонтальном полете это приведет к подъему или снижению, в то время как при наклоне вертолета вперед увеличение общей подъемной силы приведет к ускорению вместе с заданной величиной подъема.
Если у вертолета отключается электропитание, пилот может отрегулировать общий шаг так, чтобы ротор продолжал вращаться, создавая достаточную подъемную силу для приземления и скольжения при относительно мягкой посадке. [3]
Управление общим шагом в самолете Boeing CH-47 Chinook называется управлением тягой , но выполняет ту же функцию, за исключением того, что оно управляет двумя системами несущих винтов, применяя дифференциальный общий шаг. [4]
Роторы вертолета предназначены для работы с определенной скоростью вращения. Дроссельная заслонка управляет мощностью двигателя, который соединен с ротором посредством трансмиссии. Настройка дроссельной заслонки должна поддерживать достаточную мощность двигателя, чтобы удерживать скорость ротора в пределах, где ротор создает достаточную подъемную силу для полета. Во многих вертолетах управление дроссельной заслонкой представляет собой одинарную или двойную поворотную рукоятку мотоциклетного типа , установленную на общем управлении (вращение противоположно вращению дроссельной заслонки мотоцикла), в то время как некоторые многомоторные вертолеты имеют рычаги управления мощностью.
Во многих вертолетах с поршневыми двигателями пилот управляет дросселем, чтобы поддерживать скорость ротора. Вертолеты с турбинными двигателями и некоторые поршневые вертолеты используют регуляторы или другие электромеханические системы управления, чтобы поддерживать скорость ротора и освобождать пилота от рутинной ответственности за эту задачу. (Обычно также имеется ручной реверс, доступный в случае отказа регулятора.)
Педали противодействия моменту расположены в том же месте, что и педали руля направления в самолете, и выполняют схожую функцию — они управляют направлением, в котором направлен нос самолета. Применение педали в заданном направлении изменяет шаг лопасти хвостового винта, увеличивая или уменьшая тягу хвостового винта и заставляя нос рыскать в направлении примененной педали [5]
Более поздние конструкции, известные как « NOTAR », используют воздушный поток для обеспечения управления антикрутящим моментом вместо хвостового винта. Этот воздушный поток создается в фюзеляже небольшим вентилятором или турбиной и направляется из задней части хвостовой балки через вентиляционные отверстия. Внутренние управляющие лопатки могут изменять этот поток, позволяя контролировать ось рыскания. Системы NOTAR безопаснее, чем использование вращающегося хвостового винта, а отсутствие ротора также устраняет связанное с ним сопротивление, потенциально увеличивая эффективность. [6]
Существует три основных режима полета вертолета: висение, горизонтальный полет и авторотация.
Некоторые пилоты считают зависание самым сложным аспектом полета вертолета. [7] Поскольку вертолеты, как правило, динамически нестабильны, отклонения от заданного положения не корректируются без участия пилота. Таким образом, пилот должен часто вносить коррективы и корректировать элементы управления, чтобы удерживать вертолет в нужном месте и на нужной высоте. Использование пилотом элементов управления при зависании выглядит следующим образом: циклический используется для устранения дрейфа в горизонтальной плоскости (например, движение вперед, назад и из стороны в сторону); общий шаг используется для поддержания нужной высоты; а педали хвостового винта (или системы противодействия крутящему моменту) используются для управления направлением носа или курсом . Именно взаимодействие этих элементов управления может затруднить обучение зависанию, поскольку часто регулировка любого одного элемента управления требует регулировки двух других, что требует от пилота знакомства с сочетанием элементов управления, необходимых для обеспечения плавного полета.
В прямом полете органы управления вертолетом ведут себя больше как в самолете с неподвижным крылом. Перемещение циклического шага вперед опускает тангаж носа, тем самым теряя высоту и увеличивая воздушную скорость. Перемещение циклического шага назад опускает тангаж носа, замедляя вертолет и заставляя его набирать высоту. Увеличение коллектива (мощности) при сохранении постоянной воздушной скорости вызывает набор высоты, в то время как уменьшение коллектива (мощности) заставляет вертолет снижаться. Координация этих двух входов, коллектив вниз плюс циклический назад (назад) или коллектив вверх плюс циклический вперед вызывает изменение воздушной скорости при сохранении постоянной высоты. Педали выполняют одну и ту же функцию как в вертолете, так и в самолете, для поддержания сбалансированного полета. Это делается путем приложения входного сигнала педали в направлении, необходимом для центрирования шарика в индикаторе поворота и крена .
Полет вперед на вертолете имеет ограничения, отличные от ограничений самолета с фиксированным крылом. В самолете с фиксированным крылом максимальная скорость полета ограничена напряжением, которое может выдержать планер; в вертолете она ограничена числом оборотов ротора и эффективной скоростью полета над каждой лопастью. [5]
В неподвижном зависании каждая лопасть ротора будет испытывать одинаковую воздушную скорость при постоянном числе оборотов в минуту. В условиях прямого полета одна лопасть ротора будет двигаться в набегающий поток воздуха, а другая будет двигаться от него. При определенных скоростях полета это может создать опасное состояние, при котором удаляющаяся лопасть ротора заглохнет, что приведет к нестабильному полету. [5]
Для вертолетов с двумя горизонтально установленными роторами изменения положения часто требуют, чтобы два ротора вели себя противоположно в ответ на стандартные управляющие воздействия пилота. У вертолетов с соосными роторами (например, Камов Ка-50 ) оба ротора установлены на одной мачте, один над другим на концентрических приводных валах, вращающихся в противоположных направлениях на общей оси, и изменяют рыскание, увеличивая общий шаг ротора, вращающегося в направлении желаемого поворота, одновременно уменьшая общий шаг другого, создавая асимметрию крутящего момента.
Тандемные роторные летательные аппараты (например, Boeing CH-47 Chinook ) также используют два ротора, вращающихся в противоположных направлениях — это называется противовращением , когда это происходит из двух отдельных точек на одном и том же планере — но имеют роторы на отдельных приводных валах через мачты в носу и хвосте. Эта конфигурация использует дифференциальный общий шаг для изменения общего тангажа самолета. Когда пилот перемещает циклический шаг вперед, чтобы наклонить нос вниз и ускориться вперед, вертолет реагирует, уменьшая общий шаг на переднем роторе и увеличивая общий шаг на заднем роторе пропорционально, поворачивая два конца вокруг их общего центра масс . Изменения рыскания производятся с помощью дифференциального циклического шага, передний ротор изменяет циклический шаг в желаемом направлении, а противоположный шаг применяется к задней части, еще раз поворачивая судно вокруг его центра.
Напротив, синхроптер и винтокрылые аппараты с поперечным ротором и встречным вращением (например, Bell/Boeing V-22 tilt rotor ) имеют два больших горизонтальных роторных узла, установленных бок о бок, и используют дифференциальный общий шаг для воздействия на крен самолета. Как и в тандемных роторах, дифференциальный циклический шаг используется для управления движением вокруг оси рыскания.