Вертолет сегодня стал настолько привычным летательным аппаратом, что кажется - в нем нет ничего сложного. Но, хотя постройка самолетов и вертолетов началась приблизительно в одно и то же время, серийные вертолеты поднялись в воздух на 40 лет позже самолетов. Эти годы ушли на решение нескольких сложных технических проблем.
Какие это были проблемы и как они решались я хочу рассказать в нескольких статьях.
Пояснение для специалистов: так как статьи популярные, то многие сложные вопросы описываются поверхностно. Точное описание можно всегда найти в специальной литературе.
1. Схемы вертолетов
Схема вертолета определяет сколько винтов будет у вертолета и их назначение.
Кажется, что самая простая схема вертолета - это рама с мотором и редуктором, на вертикальном валу которого закреплен несущий винт (ротор) с несколькими лопастями. Лопасти, при вращении винта, создают подъемную силу и вертолет взлетает. Такая схема показана на рисунке ниже:
Схема простая но не работоспособная. Несущий винт при вращении испытывает большое сопротивление воздуха и, как только вертолет оторвется от земли, винт начнет замедляться, а сам вертолет раскручиваться в противоположную винту сторону. Крутящий момент, закручивающий вертолет в сторону противоположную несущему винту, называется реактивным.
Не надо думать, что реактивный момент действует только на вертолеты. Самолеты в полете тоже закручивает в сторону противоположную вращению винта, но там размах крыльев гораздо больше диаметра винта и органов управления с запасом хватает, чтобы компенсировать реактивный момент. А у самолета Ту-95 и его клонов каждый из четырех двигателей НК-12 имеет по два соосных винта, вращающиеся в противоположные стороны, и там реактивный момент полностью скомпенсирован у каждого из двигателей.
А еще реактивный момент подымает на дыбы мотоцикл, если резко дать газ, и вырывает из рук электродрель, если заклинит сверло.
Самое очевидное решение для компенсации реактивного момента - применить два несущих винта, вращающиеся в противоположных направлениях.
Винты можно разместить с двух сторон от фюзеляжа и тогда это будет вертолет поперечной схемы. Первый успешно летавший вертолет такой схемы Focke-Wulf Fw 61 был построен в Германии и первый полет совершил 26 июня 1936 г.
Можно разместить винты впереди и в конце фюзеляжа и тогда это будет вертолет продольной схемы. Первый успешный вертолет такой схемы Piasecki XHRP-1 (PV-3) был построен в США и совершил первый полет в марте 1945 г.
Можно противоположно вращающиеся винты расположить один над другим. Получится вертолет соосной схемы. Первый успешно летавший вертолет такой схемы Breguet-Dorand "Gyroplane Laboratoire" был построен во Франции и совершил первый полет 26 июня 1935 г.
Можно вообще поставить винты с двух сторон фюзеляжа и наклонить оси винтов в разные стороны так, что лопасть одного винта при вращении проходит над валом другого. Получится синхрокоптер. Первый такой вертолет Flettner Fl 265 был построен в Германии и впервые взлетел в мае 1939. Далее две фотографии этого вертолета. На верхней реальный аппарат, а на нижней модель на которой хорошо видно, как роторы проходят над втулками.
Все эти схемы оказались вполне рабочими, но практически не используемыми:
- поперечная схема - последний построенный вертолет В-12 (Ми-12), правда, самый большой в мире. Сегодня используется в американском конвертоплане V-22 Osprey и некоторых других экспериментальных моделях.
- продольная схема - ее использовал только конструктор Пясецкий в США. Создал несколько успешных серийных вертолетов. Сегодня выпускается единственная модель Boeing CH-47 Chinook. Правда, был еще Як-24 в СССР, но он получился не очень удачным и продолжения не получил.
- синхрокоптер - выпускала фирма Kaman. Сейчас синхрокоптеры не производятся, но несколько построенных раньше еще летают.
- соосная схема - основной производитель этих вертолетов советская и российская фирма Камов. Есть несколько очень удачных моделей (Ка-25, Ка-27, Ка-32, Ка-52). Строят соосные вертолеты и некоторые другие производители.
А самой распространенной стала схема вертолета с одним несущим и одним рулевым винтом. Рулевой винт закручивает вертолет в противоположную реактивному моменту сторону, удерживая его в прямолинейном полете.
Каждый год в мире строится несколько тысяч вертолетов такой схемы. Первый такой вертолет ЦАГИ 1-ЭА, который имел все необходимые конструктивные элементы и успешно летал, был построен в Советском Союзе. Вертолет начал летать в августе 1930 г. А 14 августа 1932 г. конструктор и бессменный пилот этого вертолета Черёмухин А. М. поднялся на высоту 605м, многократно перекрыв рекордную высоту, достигнутую ранее.
Так была решена первая проблема, возникающая при создании вертолетов, компенсация реактивного момента. Но были и другие. О них я расскажу в следующих статьях.