Schéma vrtulníku popisuje počet rotorů vrtulníku a také typ zařízení používaných k ovládání vrtulníku.
Síla pro roztočení hlavního rotoru může být přenášena z pohonného systému přes axiální hřídel. V tomto případě podle třetího Newtonova zákona vzniká reaktivní moment, zkroucení těla vrtulníku v opačném směru, než je rotace hlavního rotoru (na zemi takové rotaci brání podvozek zařízení).
Existuje řada základních konstrukčních schémat pro kompenzaci proudového momentu a řízení vrtulníku pomocí jednoho i několika rotorů.
V případech, kdy dojde k rozkroucení hlavního rotoru buď přilétajícím proudem vzduchu ( vírníky , vrtulníky v režimu letu s autorotací ), nebo pomocí trysek umístěných na koncích lopatek ( tryskový vrtulník ), proudový moment nevzniká a , v souladu s tím, že je třeba kompenzovat to chybí.
V takových schématech se pro kompenzaci reaktivního točivého momentu používají zařízení, která vytvářejí tah, který roztočí vrtulník v opačném směru, než je reaktivní točivý moment. Výhodou takových schémat je jejich relativní jednoduchost, nicméně v tomto případě je výkon vrtulníkové elektrárny odebírán.
V tomto schématu je vrtule malého průměru umístěna na ocasním výložníku vrtulníku v určité vzdálenosti od osy hlavního rotoru. Vytvořením tahu v rovině kolmé ke svislé ose vrtulníku ocasní rotor kompenzuje reakční moment. Změnou tahu ocasního rotoru můžete ovládat rotaci vrtulníku kolem svislé osy. Většina moderních vrtulníků je vyrobena podle jednorotorového schématu. [jeden]
Poprvé jej patentoval na své letadlo Boris Jurjev spolu s cykličkou v roce 1912 [2] . První takový model však navrhl v roce 1874 německý konstruktér Achenbach. [3]
První úspěšný vrtulník VS-300 s ocasním rotorem sestrojil Igor Sikorsky, vrtulník vzlétl 13. května 1940. Úspěch tohoto vrtulníku spočívá v tom, že na základě tohoto modelu byl vrtulník R-4 sériově vyroben pro americkou armádu .
Nespornou výhodou tohoto schématu je jednoduchost konstrukce a řídicího systému, což vede ke snížení nákladů na výrobu, opravy a údržbu.
Kromě toho se vyrábí vrtulníky, např. Mi-28 , s tzv. X čtyřlistým ocasním rotorem, jehož listy mají různé úhly vzájemného uložení na náboji (jako písmeno X). Vrtule tohoto typu má oproti konvenční (s rovnoměrným rozložením azimutu listů) výhody z hlediska hladiny hluku a snížení nepříznivého účinku na listy koncových vírových kordů generovaných sousedními listy.
Nevýhody tohoto schématu:
V moderní konstrukci vrtulníku se někdy používá vícelistý ocasní rotor v prstencovém kanálu kýlu - fenestron (z latiny fenestra - okno). Průměr fenestronu je více než dvakrát menší než průměr běžného ocasního rotoru.
Poprvé byl použit na lehkých vrtulnících francouzské společnosti Aerospasial . Používá se při konstrukci lehkých a středních vrtulníků [4]
Tento design má několik významných výhod:
Nevýhody jsou:
Toto schéma používá vrtule umístěné na křídlech nebo vaznících letadla- rotorového letadla . Navíc tah obou šroubů směřuje dopředu a pro kompenzaci reaktivního momentu v režimu visení poskytuje jeden šroub větší tah než druhý. V letovém režimu se tyto vrtule používají jako stahováky, což zvyšuje rychlost rotorového letadla, zatímco hlavní rotor přechází do režimu autorotace . První přístroj s takovým principem kompenzace reaktivního momentu navrhl a patentoval B. N. Yuryev v roce 1910 [5] . Příkladem takového modelu je aktuálně Eurocopter X3 .
Za výhodu rotorového letadla lze považovat vysoké rychlosti letu, pro klasické schéma nedosažitelné kvůli zvláštnostem aerodynamiky. Takže například rotorové letadlo „Rotodine“ společnosti „Fairy“ v roce 1959 dosáhlo rychlosti 307,22 km/h, [6] , a Eurocopter X3 v roce 2010 - 430 km/h.
Nevýhodou takového systému je ztráta většího výkonu pro kompenzaci jalového momentu v režimu visení ve srovnání s ocasním rotorem.
Ne všechna rotorová letadla však tento způsob kompenzace využívají. Například rotorové letadlo Ka-22 využívalo dvojici příčných šroubů k potlačení proudového momentu a Rotodyne využívalo proudové otáčení listů.
Pro kompenzaci reakčního momentu je použit systém řízení mezní vrstvy na ocasním ráhna pomocí Coanda efektu spolu s tryskou na konci paprsku, nebo jen tryskou.
Řídicí síla Coandova efektu vzniká ze stejného důvodu, jako vzniká vztlaková síla křídla - v důsledku asymetrického obtékání profilu ocasního ramene prouděním vzduchu tvořeným hlavním rotorem směrem dolů. Ventilátor umístěný u základny ocasního ráhna nasává vzduch z otvorů umístěných v horní části těla vrtulníku a vytváří tak potřebný přetlak uvnitř ocasního ráhna. Na pravé straně ocasního ramene se pomocí speciálních trysek ustavuje rychlejší proudění vzduchu než na levé straně. V důsledku Bernoulliho zákona bude tedy tlak vzduchu na levé straně větší než na pravé straně, tento tlakový rozdíl vede ke vzniku síly směřující zleva doprava.
Poznámka : v diagramu modré šipky znázorňují proudění vzduchu procházející ocasním ramenem, červené šipky - podél povrchu ocasního ramene.
Na Západě známý jako NOTAR, eng. No Tail R rotor - "bez ocasního rotoru. " V Sovětském svazu byly experimenty prováděny na vrtulníku Ka-26- SS. Sériově vrtulníky využívající toto schéma vyrábí MD Helicopters.
Vzhledem k absenci ocasního rotoru je tento systém nejtišší a nejbezpečnější.
V těchto schématech není vzhledem k absenci převodovky, která přenáší točivý moment z elektrárny na hlavní rotor, vyžadována kompenzace jalového momentu. Výhodou takových schémat je jednoduchá konstrukce a za společnou nevýhodu lze považovat nízkou rychlost se značnou spotřebou paliva. Pro kontrolu stáčení lze použít ocasní rotor, vychylovací plochy nebo reaktivní zařízení.
Existují různé varianty tohoto schématu:
Vůbec první proudový vrtulník navrhl a postavil německý konstruktér Doblgof. [8] Experimentální proudové vrtulníky se stavěly i v Polsku, v USA se jejich vývojem na objednávku armády dlouhou dobu zabýval Hughes. Většího úspěchu však dosáhla americká firma Hiller, která v malých sériích pro armádu, námořnictvo a policii vyráběla vrtulníky YH-32 Hornet a HJ-1 Hummingbird [9] . V roce 1956 vzlétl Američan ruského původu Evgeny Glukharev první jetpackový vrtulník MEG-1X [10] . V tuto chvíli se vrtulníky s proudovým pohonem sériově nevyrábějí.
Hlavní výhodou takového schématu je jednoduchý a relativně lehký design, který eliminuje složitý přenos.
Hlavní nevýhody tohoto uspořádání jsou:
U varianty s proudovými motory navíc:
Reakční momenty v těchto schématech jsou vzájemně kompenzovány synchronním vícesměrným otáčením dvou šroubů. Roviny rotace vrtulí mohou mít různé stupně překrytí, když je počet listů menší než čtyři.
Společnou výhodou těchto obvodů je absence ztrát výkonu pro kompenzaci jalového momentu, avšak tyto obvody mají složitou složitost:
Podélné schéma se skládá ze dvou vodorovných šroubů umístěných za sebou a otáčejících se v různých směrech. Zadní vrtule je zvednuta nad přední vrtuli, aby se snížil negativní účinek proudu vzduchu z přední vrtule. Toto schéma se používá hlavně u těžkých vrtulníků. Vrtulníkům s podélným schématem se někdy říká „létající auta“. [jedenáct]
Průkopníkem ve vytvoření vrtulníku podél podélného schématu byl francouzský inženýr Paul Cornu . V roce 1907 se jeho přístroj dokázal na 20 sekund odlepit od země . Při prvním testu zařízení vzlétlo od země nejprve o 0,3 m (hrubá hmotnost 260 kg ), poté o 1,5 m (hrubá hmotnost 328 kg ) [12] .
Ve 30. letech 20. století vývoj podélných vrtulníků provedl v Belgii ruský emigrant Nikolaj Florin , který postavil 3 modely vrtulníků, z nichž jeden (Florin-2) vytvořil řadu rekordů v délce letu. Dalšího vývoje této konstrukce se ujal Američan Frank Piasecki , který v roce 1945 vydal pro americkou armádu vrtulník , který byl díky svému tvaru nazýván „ létajícím banánem “.
V Sovětském svazu se v tomto směru také pracovalo. V roce 1952 se pod vedením Igora Aleksandroviče Erlikha [13] po devíti měsících od zahájení konstrukce uskutečnil první let Jaku-24 , který v té době předčil všechny zahraniční modely. [čtrnáct]
Pozitivní aspekty tohoto schématu vrtulníku jsou:
Nevýhody podélného schématu vrtulníku zahrnují:
Příčné šrouby jsou instalovány na koncích křídel nebo speciálních podpěr (vazníků) po stranách těla vrtulníku. Některé konvertoplány v režimu vrtulníku lze také připsat příčnému schématu , například Bell V-22 Osprey , Bell Eagle Eye .
V roce 1921 zkonstruoval americký inženýr Henry Berliner spolu se svým otcem Emilem Berlinerem příčný vrtulník. Na boky trupu letadla umístil dvě malé čtyřmetrové vrtule a na ocasní vrtuli řídící se svislou osou otáčení - ocas aparátu musel „nadzvednout“ tak, aby vrtule měly vodorovnou polohu. složka tahu k pohybu vrtulníku vpřed. K ovládání vrtulníku byly použity vychylovací plochy, jako jsou křidélka , a také nakloněné osy rotorů. [16]
První úspěšný příčný vrtulník byl německý Focke-Wulf Fw 61 , který v roce 1937 vytvořil řadu vzdálenostních a rychlostních rekordů. V Sovětském svazu byl prvním příčným vrtulníkem projekt Omega z roku 1941.
výhody:
Nevýhody tohoto schématu zahrnují:
Koaxiální schéma je dvojice šroubů umístěných nad sebou na souosých hřídelích otáčejících se v opačných směrech, díky čemuž jsou kompenzovány reaktivní momenty vznikající z každého ze šroubů.
První patent na koaxiální uspořádání rotorů letadla byl vydán v roce 1859 Angličanovi Henry Brightovi.
První plně řízený vrtulník byl Laboratory Gyroplane Charles Breguet a René Doran v roce 1936.
První let koaxiálního vrtulníku s celokovovými lopatkami provedl Američan Stanley Hiller v roce 1944; design byl tak úspěšný, že sám Hiller často demonstroval jeho stabilitu uvolněním ovládacích prvků a vystrčením rukou z oken [17] .
V Ruské říši byly podle koaxiálního schématu vyrobeny dva prototypy vrtulníku Igora Sikorského (tvůrce prvního sériového vrtulníku Sikorsky R-4 , který měl klasické schéma) [18] . V Sovětském svazu se tématu koaxiálních vrtulníků poprvé ujal tým Jakovlev v roce 1944 a v roce 1945 tým nadšenců pod vedením Nikolaje Iljiče Kamova .
Vrtulník Kamov Ka-8 letěl 12. listopadu 1947 [19] , vrtulník Jakovlev "Vtip" 20. prosince 1947 [20] . Pro konstrukční kancelář Kamov se koaxiální schéma stalo hlavním. Nyní jsou vrtulníky Kamov jedinými pilotovanými koaxiálními vrtulníky na světě, které jsou sériově vyráběny.
Výhody koaxiálního schématu:
nedostatky:
Rotory jsou umístěny na bocích trupu s výrazným přesahem a jejich osy jsou vůči sobě šikmo vychýleny směrem ven, čímž je vyloučena možnost překrytí. Ve skutečnosti je takové schéma speciálním případem příčného schématu s maximálním možným překrytím rotorů, zároveň má vlastnosti koaxiálního schématu. Díky sklonu šroubů jsou jalové momenty vyváženy pouze kolem svislé osy a jejich průměty kolem příčné osy se sčítají a tvoří klopný moment . [22]
První sériové vrtulníky tohoto schématu Flettner FI 282 "Hummingbird" se objevily v Německu v roce 1942. V současnosti je jediným sériovým výrobcem těchto vrtulníků americká společnost Kaman Aircraft . Charakteristickým rysem této společnosti je použití servo klapek namontovaných na lopatkách v systému řízení vrtulníku, jejichž princip činnosti je podobný křidélku letadla.
výhody:
nedostatky:
Vrtulníky této konstrukce používají v zásadě čtyři vrtule, z nichž jeden pár je umístěn v podélném uspořádání a druhý v příčném uspořádání, i když existují konstrukce se třemi rotory ( Mi-32 , Cierva Air Horse), a s velkým počtem vrtulí ( Multicopter).
Vyznačuje se velkou hmotností, ale zároveň snadným ovládáním, protože takové schéma nevyžaduje cyklickou desku a směr letu je nastaven ovládáním výkonu na každé z vrtulí samostatně.
V současnosti je stále populárnější u rádiem řízených vrtulníků .
Schéma bylo původně představeno v prototypech z počátku dvacátého století na úsvitu letectví.
Mezi vrtulníky takového schématu patří kvadrokoptéra Georgyho Botezata, bývalého profesora na Petrohradském technologickém institutu, který emigroval do Ameriky; Vrtulník Etienna
Emishena , který měl kromě 4 rotorů 6 malých vrtulí pro udržení rovnováhy a 2 vrtule pro horizontální let [ 23 ] TiltRotor (projekt).