Вертолёты и конвертопланы

А также винтокрылы, автожиры, мультикоптеры и все остальные виды винтокрылых летательных аппаратов.

Что из них есть что

• Несущий винт (или два) с двигателем, возможен также рулевой винт — вертолёт.
• Несущий винт (винты) с двигателем, тянущие винты — винтокрыл.
• Несущий винт без двигателя, тянущие винты — автожир. Именно так переводится Gyrocopter из DotA.
• Винты, которые могут работать как несущие или как тянущие — конвертоплан.
• Много (более двух) несущих винтов — мультикоптер.

Типы

(link)

альтернативный вариант четырёхвинтового конвертопалана

Одновинтовые вертолёты

• Классическая схема — несущий винт и хвостовой винт-стабилизатор.
• Фенестрон — то же, что и в классической схеме, но хвостовой винт заключен в кольцевой канал. Примеры — Gazelle и Ка-62.
• NOTAR — сокращение от английского No Tail Rotor, то есть «без хвостового винта». Стабилизация осуществляется за счет отвода выхлопных газов через размещенные на месте хвостового винта сопла. Отличается меньшей уязвимостью и низким уровнем шума. Пример — ряд модификаций MD-500.
• Реактивный ротор — реактивные или ракетные двигатели на кончиках лопастей, такой ротор не закручивает аппарат.
  • по принципу то же самое, но с винтовым двигателем вместо реактивного на конце лопасти, например, экспериментальный вертолёт Юрия Маринченко 1971 года

Двухвинтовые вертолёты.

• Соосная схема. Такую любит КБ Камова.
  • Потенциальные проблемы: при слишком резком маневрировании или раскачке лопасти винтов перекрещиваются и немедленно друг друга срубают. В результате имеем сильные ограничения на режимы, то есть повышенные требования к подготовке пилотов.
    • На самом деле нет — перехлёст лопастей у соосной схемы менее вероятен, нежели перерубание хвостовой балки у классической. Реальные проблемы соосников — конструкция сложнее, дороже и из-за значительной высоты не лезет в транспортные самолёты без разбора вала, в то время как классике нужно только снять лопасти. Когда во Франции строили «мистрали», в ТЗ было отдельной строчкой: влезают двухвинтовые «камовы».
• Поперечная схема. Несколько больших экспериментальных вертолётов. В том числе и рекордсмен по грузоподъёмности Ми-12, способный поднять основной боевой танк Т-64.
  • Недостатки очевидны: вертолёт при этом и сам большой, тяжёлый, по управлению крайне специфический, пилотов для него во всём мире по пальцам пересчитать можно.
• Синхроптер — винты перекрещиваются и вращаются синхронно, чтобы не задевать друг друга. Наиболее известный представитель «Каман K-MAX»
  • Реальные проблемы: синхронизация винтов. Чтобы они опять же не порубили друг друга в капусту, нужен либо синхронизирующий вал (тяжёлый, негабаритный и неудобный в обслуживании), либо сверхточная система контроля двигателей, позволяющая добиваться абсолютно одинаковых оборотов на них, что чревато катастрофой при малейшем её сбое. Кроме того, из-за взаимовлияния винтов падает мощность и возникает продольный момент, дополнительно затрудняющий пилотирование и, соответственно, требующий более высокой квалификации пилота.
• Продольная схема — обычно один винт расположен чуть выше другого. Наиболее известный представитель — СН-47 Chinook.

Тяжело гружённый вертолёт для экономии топлива может взлетать по-самолётному с разгоном, особенно часто так взлетают боевые вертолёты с полной ракетно-бомбовой нагрузкой, особенно в горной местности.

Винтокрыл — обладает как вертолётным винтом сверху, так и несущими «самолётными» крыльями для больших скоростей (вертолётный винт при этом переводится на авторотацию, чтобы не тратить зря топливо и не создавать заваливающего момента). Типичным примером можно считать Fairey Rotodyne. Не прижились: оказались слишком сложными конструктивно и слишком тяжёлыми, чтобы конкурировать с вертолётами и самолётами в их нишах.

Конвертоплан — конвертоплан может быть и чисто реактивным, например Мессершмидт EWR VJ 101

• с поворотным крылом — крыло поворачивается вместе с винтами
• с поворотными двигателями — крыло остаётся на месте поворачиваются двигатели вместе с винтами
• с поворотными винтами — и крыло и двигатели остаются на месте поворачиваются лишь винты

кроме того винты могут быть заключены в кольцо — импеллер, от этого возрастают самолётные характеристики, и сами винты тоже становятся и компактными и защищёнными, но падают чисто вертолётные характеристики вроде способности висеть на месте

Автожир:

• Классический (ротор без двигателя и управления шагом винта, взлетает горизонтально, садится диагонально)
  • Автор правки отмечает, что автожир не только неспособен успешно летать без автомата перекоса, но и — внимание! — автомат перекоса и был изобретён стопроцентным «автожиростроителем» Хуаном де ла Сиервой. А уже затем с автожиров перекочевал на вертолёты, которые в одновинтовых схемах испытывали те же проблемы с устойчивостью.
    • Еще как способен. Ранние автожиры страдали от дисбаланса подъемной силы, поскольку при жестком закреплении лопастей на втулке идущая вперед лопасть создавала большую подъемную силу, чем уходящая назад, что и вызывало кренящий момент. Для решения этой проблемы Сиерва ввел в конструкцию втулки 2 петли: подъема/опускания (flapping) и обгона/отставания (lead/lag). Благодаря первой петле идущая вперед лопасть могла приподниматься, уменьшая вертикальный компонент своей подъемной силы, а с помощью второй решалась проблема разбалансировки ротора при подъеме и опускании лопасти: поднятая и находящаяся за счет этого ближе к оси вращения лопасть могла «пролететь» вперед быстрее, а опущенная при движении назад — «отстать», компенсируя изменением угловой скорости изменение момента инерции. За счет такого движения лопастей на съемках автожиров тех времен несущий винт выглядит как асимметричный конус. Сейчас в малых любительских автожирах (например, известной конструкции Бенсена) петель нет: роль первой петли играет гибкость алюминиевых/композитных лопастей (позволяя идущей вперед лопасти изогнуться вверх), а роль второй для малого автожира не так важна и просто игнорируется либо отдается гибкому креплению лопасти к втулке через «стопку» эластичных и металлических проставок. Для управления в таких машинах автомат перекоса тоже не нужен: применяется наклон всей втулки несущего винта. Поставишь плоскость винта более круто к ветру — винт раскрутится сильнее, подъемная сила увеличится, автожир пойдет вверх; более полого — начнет снижаться.
    • А не путает ли уважаемый автор правки автомат перекоса с системой управления общим и циклическим шагом? Ибо описанная здесь конструкция с «петлями» как раз и представляет собой тот самый вертолётный автомат перекоса в самом примитивном его виде, устраняющий кренящий момент при поступательном движении. А уже накладывая на выставляемые автоматически угол опережения и атаки лопасти дополнительные усилия работает автомат управления циклическим (для создания кренов) и общим шагом (для управления подъемной силой) винта.
      • Не путает. Автомат перекоса и шарниры крепления лопастей, хоть и входят в систему управления несущим винтом, но представляют собой два разных узла. Сиерва действительно экспериментировал с механизмом управления циклическим шагом, но счел его неудачным, и всю оставшуюся жизнь до своей гибели в авиакатастрофе посвятил шарнирам крепления лопастей. Управление по крену и тангажу в аппаратах Сиервы выполнялось, как и в подавляющем большинстве современных автожиров, наклонами оси винта. Кроме Сиервы, над механизмом управления циклическим шагом (который впоследствии и превратился в автомат перекоса в том виде, в котором он известен сейчас) работали Крокко в Италии, Юрьев в России, Баумгауэр в Нидерландах и другие изобретатели. Можно сказать, что работы Сиервы проторили дорогу для изобретерия автомата перекоса, ведь без шарнирного крепления лопастей автомат перекоса работать не может. В полноценном виде (с управлением циклическим и общим шагом) автомат перекоса, насколько известно автору правки, на автожирах не встречается; в усеченном виде (только управление общим шагом) встречается на аппаратах, способных к прыжковому взлету, чтобы на время раскрутки винта устанавливать нулевой угол атаки и потом увеличивать его для взлета.
• С раскруткой ротора (ротор с двигателем и шагом, но двигатель работает только при взлёте; взлетает и садится диагонально)

На что вертолёту рулевой винт и какие есть альтернативы?

Вкратце: закон сохранения момента импульса.

Проведём такой эксперимент. Встанем на гимнастический круг (на вертушку на детской площадке тоже можно, но эффект поменьше будет) и делаем повороты туловищем. Видно, что круг — и ноги на нём — поворачивается в обратную сторону. Кто знаком с фигурным катанием — можете исполнить «скобку».

Наши руки — винт. Наши ноги — фюзеляж. Так что видим: если мотор применяет силу, чтобы протаскивать лопасти сквозь воздух, обратная сила раскручивает фюзеляж. Вот и приходится тормозить эту раскрутку — традиционно рулевым винтом.

Что ещё может быть вместо рулевого винта?

• Два и более несущих винта. Их моменты импульса взаимокомпенсируются. Позволяют лететь хвостом вперед почти с той же скоростью, что и носом; разворачиваться в полёте носом назад, не меняя скорости; исполнять «воронку» и другие трюки.
• Несимметричные тянущие винты (в винтокрылах).
• Реактивный винт: на концах реактивные или ракетные двигатели (на экспериментальных вертолётах). Вертолёт получается шумный, дымный, сложный, прожорливый и слепит пилота — поэтому от такой схемы отказались.
• Аэродинамическая компенсация на эффекте пограничного слоя (NOTAR — NO TAil Rotor). Единственная компания, применяющая NOTAR в серийных вертолётах,— «Хьюз» (ныне в составе «Макдоннел-Дуглас»). В СССР были неудачные эксперименты на переделанном Ка-26.

Детскому вертолётику на верёвочном стартере рулевой винт не нужен, так как нет мотора. Единственная сила, которая вращает фюзеляж — трение в подшипнике, на него хватает и большого киля.

Автомат перекоса

А что, у хвоста же две лопасти!

Обычному детскому вертолётику на верёвочной тяге автомат перекоса не нужен. Он взлетает строго вверх и садится на авторотации куда хозяин пошлёт. Но если хочется лететь в какую-то определённую сторону, приходится выкручиваться. Автомат перекоса позволяет в динамике изменять положение лопастей несущего винта. При этом сохраняется не абсолютный наклон лопастей (первая — на 5 градусов круче, третья — на пять мягче), а их относительный наклон (то есть, например, круче всегда та лопасть, что смотрит вперёд, задняя — всегда мягче). В результате появляется возможность управлять вектором тяги без поворота оси винта.

Как это работает на практике? Начнём с самого простого. Пилот садится в вертолёт, запускает двигатель, прибавляет газу и вертолёт поднимается в воздух. Если он идеально вывешен — то есть центр тяжести находится строго под центром винта — то, поднявшись, он зависает в воздухе, лишь немного дрейфуя под действием лёгкого ветерка. Что дальше? Пилот поворачивает ручку в своей кабине, и лопасти начинают поворачиваться относительно втулки. Вы думали, лопасти намертво прикреплены к оси винта? Нет, они могут поворачиваться вдоль своей оси, и сейчас они именно это и делают — слегка покачиваются, с той же частотой, что вращается винт, ложась на воздух с одной стороны круче, чем с другой. При этом подъёмная сила на одной стороне вертолёта падает, а на другой — возрастает. Вертолёт наклоняется и начинает со всё возрастающей скоростью двигаться в сторону, куда наклонён. Понемногу сопротивление воздуха компенсирует разгон, и скорость выравнивается. При необходимости нарушить сложившийся статус-кво, вектор тяги снова изменяется, меняется крен вертолёта, и вслед за ним меняется скорость.

• И именно поэтому автожир также неспособен летать без автомата перекоса либо другого механизма аэродинамической компенсации — этот механизм не только создаёт крены, но и компенсирует разницу подъёмной силы на набегающей и уходящей лопастях при поступательном движении.
• Автору на заметку: происходит это всё довольно медленно. Вертолёт вообще реагирует на управляющие импульсы с некоторым запаздыванием, а если речь идёт о нескольких последовательных действиях (двинули ручку — начал возникать крен — понемногу начала набираться скорость), то всё затягивается ещё сильнее. Так что в маневренности вертолёт никогда не сравнится с гоночным болидом, и отзывчивым, как самолёт, тоже не будет. Собственно, именно поэтому летащий медленно и низко вертолёт можно подбить из противотанкового гранатомёта: даже если пилот заметит пуск и успеет отреагировать, на короткой дистанции вертолёт просто не успеет отозваться на движение ручки и педалей.

Кстати, именно поэтому одним из самых сложных упражнений по пилотированию вертолёта является висение — зависание над одной точкой. Ведь для парирования любого отклонения нужно несколько действий: перекос лопастей в сторону возврата, парирование возникшего крена (с созданием горизонтальной скорости), обратный крен, и парирование обратного крена над точкой висения и с гашением скорости. При этом ещё и о высоте нельзя забывать.

Мультикоптер

В зависимости от количества лучей с винтами называется трикоптер, квадрокоптер, гексакоптер, октокоптер.

На каждом из лучей — винт фиксированного шага (никакого автомата перекоса) со своим мотором. Иногда — по два встречных винта на луч.

Механически мультикоптер чрезвычайно прост — настолько прост, что продаётся в игрушечном магазине. На мультикоптер можно навесить громоздкую камеру, и она не будет мешать винтам. Но почему мультикоптер сделали только в 2000-е годы? Да просто потому что до появления литиевых аккумуляторов тяговооруженность больше единицы (когда двигатель с запасом топлива/аккумулятором может поднять в воздух хотя бы самого себя) имели только бензиновые двигатели, а их и в паре-то трудно заставить работать, не то, что в большем количестве.

Большие вертолёты по квадрокоптерной схеме делали с самого зарождения вертолётов. Впрочем, быстро выяснились недостатки: множество ДВС и сложная трансмиссия не добавляли надёжности, машина получалась громоздкая, да и к авторотации мультикоптер неспособен (нет автомата перекоса). Концепты беспилотных электрических квадрокоптеров появились в открытой печати в 1980-е годы, но с тогдашним развитием электроники они так и остались концептами. Требовались мощные аккумуляторы, хорошие датчики. И самое главное и ключевое — механическая стабилизация, отработанная на радиоуправляемых моделях, не подходит, нужна электронная. Только в 2000-е годы удалось решить эти проблемы.

Вы спросите: трикоптер? Но ведь тот самый момент импульса там не скомпенсирован? Есть два простых варианта: либо шесть винтов на трёх лучах, либо наклоняемый задний винт. Однако можно добиться компенсации реактивного момента и на трёх равных винтах хитрой синхронизацией автоматов перекоса. Именно так это было реализовано на советском сверхтяжёлом вертолёте Ми-32 (проектные работы были завершены, но ни одной машины так и не построили).

• Два передних винта выполняются с противоположным вращением, а хвостовой при любом раскладе будет использован и как маршевый, и как рулевой, поэтому он будет компенсировать собственный, не парируемый разворачивающий момент наклоном втулки винта. Да и в одновинтовых схемах втулка рулевого винта не устанавливается строго перпендикулярно рулевой штанге-хвосту. Балансировочное сопротивление присуще и вертолёту, от него никуда не деться. Также, вместо хвостового винта может использоваться реактивное сопло любой природы.

Бикоптер — как и у обычного мультипоптера, шаг винта нерегулируемый, как и у конвертоплана, наклон винтов изменяемый.

Практически все мультикоптеры — маленькие беспилотные аппараты. Аппараты, на которых может летать человек, существуют в единственных экземплярах как опытные образцы. Напомню причины: сложность при работе от ДВС, большой размер, невозможна авторотация при аварийной посадке (см. ниже)

• Интересующимся гуглить Moller Skycar. Да, это не совсем вертолёт, так как подъёмная сила создаётся вентиляторами и несущим корпусом, но это вполне себе мультикоптер.

Монокоптер

Традиционно — этим словом называют вертолёт с однолопастным винтом по принципу семечка-крылатки, например, Chrysalis 1914 года

А нетрадиционно так называют свои творения фанаты радиоуправляемых мультикоптеров, построившие свою вариацию NOTAR на основе мультикоптера. Поскольку винт, как и у мультикоптера, не регулируемый, то управляют им, наклоняя винт. Альтернативный вариант — не NOTAR, для компенсации вращения под винт ставят аэродинамические рули, перенаправляющие поток воздуха, компенсируя вращение и управляя полётом — по факту получается нечто вроде вертолёта соосной схемы, в котором вращается только один винт, не имеющий автомата перекоса, а второй неподвижный и выполняет функции автомата перекоса.

Аварийная посадка

«	При выполнении посадок на незнакомые площадки, покрытые глубоким снегом, для обеспечения благополучного приземления рекомендуется, зависнув на малой высоте, высадить одного из членов экипажа, который, убедившись, что под снегом нет ям или больших неровностей, даст сигнал о возможности посадки. Проверку поверхности площадки в этом случае удобно производить с помощью рейки длиной 1–1,5 м.	»
— Подполковник Г. А. ТИНЯКОВ «Пилотирование вертолета», 1957 г. о предотвращении аварий

Опасная посадка вертолёта — неопытный пилот может не заметить в клубах снега и зацепить винтом провода, а то и сам столб, и разбиться

Благодаря авторотации вертолёт способен сесть и при полностью отказавшем двигателе. Для этого надо в первые же секунды, пока вертолёт ещё летит прямо, установить ручкой «шаг-газ» минимальный шаг винта. Энергия уйдёт на раскрутку винта (что требует некоторого запаса высоты), и вертолёт сядет.

Типичная авария вертолёта с крушением происходит из-за того, что при посадке на необорудованную площадку вертолёта могут подняться клубы пыли (или снега зимой), которые могут закрыть обзор пилоту, так что вертолёт при посадке может задеть дерево или скалу, или ещё что-нибудь, и рухнуть. Потому там, где нет нормально оборудованной площадки, вертолётчики любят садиться по-самолётному, чтобы клубы пыли оставались позади, не успевая закрыть обзор.

Квадрокоптеры и им подобные не способны к авторотации, ибо не имеют вертолётного автомата перекоса, и при остановке двигателей камнем падают вниз.

• В случае авиамодели, крошечные винты которой сидят на тяжёлом роторе электромотора — несомненно. Однако, роторы более крупной машины, имеющей редуктор и куда большее плечо лопастей, всё равно будут раскручиваться на снижении потоком набегающего снизу воздуха, как обыкновенный кухонный вентилятор в хрущёвке, и немного, но замедлят падение.
• Кроме того, мультикоптер на то и «мульти», что двигателей у него много и шанс на их одновременный отказ невелик. Даже квадрокоптер (правильно запрограммированный) при отказе одного винта может кое-как сохранить управляемость и успешно приземлиться, а для гекса- и окта- вариантов это тем более не проблема.
• Но проблема в том, что как правило все одни питаются от одного и того же аккумулятора и при его отказе…

А вот автожир к авторотации не просто способен — это его первый и главный режим работы. Поэтому он считается одним из самых безопасных летательных аппаратов.