01
Крило, що обертається
Перед вами легкий гелікоптер. Довгі тонкі лопаті вгорі утворюють несучий гвинт, і кожна лопать — це крило. Трохи нахилена проти повітря, вона на ходу відкидає повітря вниз, а повітря штовхає лопать угору. Цей поштовх і є підйомна сила.
Літак змушує повітря обтікати крила, розганяючись злітною смугою. Гелікоптер натомість обертає свої крила, тож вони рухаються крізь повітря, навіть коли сам гелікоптер стоїть на місці. Тому він може злетіти вертикально, зависнути над однією точкою й летіти вбік або назад.
Двигун обертає гвинт через редуктор і вертикальний вал, який називають валом несучого гвинта. Справжній несучий гвинт робить кілька сотень обертів за хвилину, а кінці його лопатей рухаються зі швидкістю близько 200 м/с, понад 700 км/год. Модель працює сповільнено, а одна лопать має кольоровий кінчик, щоб за нею було зручно стежити.
Перетягуйте модель, щоб оглянути її з усіх боків, і прокручуйте над нею, щоб наблизити. Поки ви читаєте, камера рухається слідом за текстом.
02
Більше кроку — більше підйомної сили
Несучий гвинт гелікоптера майже весь час обертається з тією самою швидкістю. Щоб змінити підйомну силу, пілот змінює не оберти, а кут лопатей. Цей кут називають кроком лопаті. Лопать із більшим кроком зустрічає повітря під крутішим кутом, відкидає вниз більше повітря і створює більшу підйомну силу.
Лівою рукою пілот тримає важіль загального кроку. Коли він його піднімає, угору йде автомат перекосу — пара кілець навколо вала. Тяги від автомата перекосу повертають кожну лопать на однаковий кут одночасно, на всьому оберті. Тому крок і називають загальним.
Коли важіль опущено, гвинт створює меншу підйомну силу, ніж важить гелікоптер, і той знижується. Приблизно посередині підйомна сила дорівнює вазі, і гелікоптер висить. Підніміть важіль вище, і він набирає висоту. Більший крок означає й більший опір лопатей, тому двигун мусить віддавати більше потужності, щоб гвинт обертався з тією самою швидкістю.
Порухайте важіль і подивіться, як автомат перекосу ковзає вздовж вала, а лопаті повертаються. Зі зростанням підйомної сили лопаті ще й трохи вигинаються вгору. Це називають конусністю.
03
Навіщо потрібен рульовий гвинт
Щоб крутити гвинт, двигун має прикладати зусилля, що закручує, — крутний момент. Кожна дія має рівну протидію, тож корпус гелікоптера відчуває такий самий момент у протилежний бік. Якщо дивитися згори, цей гвинт обертається проти годинникової стрілки. Без протидії фюзеляж закрутився б за годинниковою.
Цьому запобігає рульовий гвинт. Він стоїть на кінці довгої хвостової балки і жене повітря вбік. Його тяга діє на кінець балки, як гайковий ключ на болт, і врівноважує момент несучого гвинта. Що довша балка, то меншої тяги достатньо.
Вал уздовж балки передає обертання від головного редуктора до рульового гвинта, тож обидва гвинти завжди обертаються разом. У цій моделі рульовий гвинт робить п’ять обертів на кожен оберт несучого.
Педалі пілота змінюють крок лопатей рульового гвинта. Більша тяга повертає ніс в один бік, менша дозволяє крутному моменту повернути його в інший. Так гелікоптер розвертається на місці.
Деякі гелікоптери обходяться без рульового гвинта: у них два несучі гвинти обертаються в протилежні боки, один над одним або по одному на кожному кінці, тож їхні моменти взаємно гасяться.
04
Лопать, що набігає, і лопать, що відступає
Щоб летіти вперед, пілот відхиляє від себе ручку циклічного кроку. Вона нахиляє автомат перекосу, тож крок кожної лопаті тепер зростає і спадає раз за кожен оберт. Диск гвинта нахиляється вперед, частина підйомної сили тепер тягне гелікоптер уперед, і вся машина летить трохи опустивши ніс.
Тепер дві половини гвинта зустрічають різне повітря. З одного боку лопать рухається вперед, назустріч набігаючому потоку: це лопать, що набігає. З іншого боку вона рухається назад, за потоком: це лопать, що відступає. Якщо рахувати від хвоста, позначена лопать набігає від 0° до 180° і відступає від 180° до 360°.
Припустімо, кінці лопатей рухаються зі швидкістю 200 м/с, а гелікоптер летить зі швидкістю 50 м/с. Кінець лопаті, що набігає, зустрічає повітря на швидкості 250 м/с, а кінець лопаті, що відступає, — лише 150 м/с. Підйомна сила зростає пропорційно квадрату швидкості повітря, тож без втручання бік, що набігає, піднімав би значно сильніше й перевернув би гелікоптер.
Циклічний крок це вирівнює. Він зменшує крок лопаті, що набігає, і збільшує крок лопаті, що відступає, тож обидва боки створюють приблизно однакову підйомну силу. Стежте за позначеною лопаттю: її крок меншає, коли вона набігає, і зростає, коли відступає, раз за кожен оберт.
Це ставить межу. Що швидше летить гелікоптер, то повільніше повітря обтікає лопать, що відступає, і то більший крок їй потрібен, аж поки потік на ній не зірветься. Саме через це звичайні гелікоптери рідко літають значно швидше за 300 км/год.
Числа взято з невеликої моделі чотирилопатевого гвинта радіусом 5 м. Кути кроку спрощено: вони добре передають форму й пропорції, але не точні значення.