Главной составляющей вертолета является несущий винт, он состоит из втулки и лопастей. Чтобы понять, за счет чего вертолет летает, нужно узнать, из чего делают лопасти вертолета и втулку, как они устроены и как работают. Именно лопасти создают подъемную силу, за счет которой конструкция взлетает в воздух. Втулкой называют механизм, который запускает движение и делает возможным движения лопастей по угловой траектории. Лопасти подвергаются воздействию инерции и аэродинамических сил, перемещаясь горизонтально и вертикально. Также они могут поворачиваться, чтобы вертолет был управляем при подъеме. Рассмотрим это подробнее.

При проектировании несущего винта (НВ) конструкторы учитывают несколько основных параметров:

  • характеристики НВ. Это количество лопастей, диаметр, окружная скорость вращения, мера заполнения окружности;
  • компонование с учетом аэродинамики. Определяет, как будут выглядеть лопасти, какими будут по форме и в толщине по разным сечениям, какое будет распределение по всему радиусу;
  • на какой угол смогут отклоняться лопасти, от этого зависит количество режимов полета.

Из чего делают лопасти?

Из чего сделан несущий винт и лопасти у вертолета?

Лопасти устроены и работают вовсе не так, как крылья у самолета, так как они предназначены для иных условий. Главное различие в том, на вертолетные лопасти воздействуют не постоянные, а переменные нагрузки. Именно поэтому к материалу выдвигают особые требования, он должен быть очень прочным.

Критерии оценки материала для изготовления:

  • какую усталостную прочность может выдержать, насколько устойчивым к трещинам будет;
  • степень чувствительности к напряжению;
  • удельная упругость и прочность.

Не нужно хорошо разбираться в физике, чтобы понять, что железо не подойдет. В свое время для изготовления лопастей использовали дерево, алюминиевый и титановые сплавы, нержавеющую и легированную сталь. Сейчас им на смену пришло более практичное решение — композиционные материалы.

Чтобы получить композиционный материал, сочетаются два вещества с разными характеристиками. Обычно это жесткий армирующий наполнитель и матрица. В роли первого могут использоваться стекловолокно или углеродное волокно, в роли второго часто идет смола синтетического происхождения. Смола термоактивная, поэтому при нагревании она становится не только жесткой, но стойкой к химическим воздействиям.

Так получается создавать относительно легкие конструкции, которые по прочности и износостойкости превосходят металлические.

Технология используется везде, где нужно снизить вес без ущерба другим характеристикам, в первую очередь в авиации. Углепластик из которого делают лучшие гоночные машины — тоже композитный материал. Со временем такие материалы становятся все лучше, конструкторы экспериментируют с разными составляющими для совершенствования характеристик. В вертолетостроении, как и в авиастроении в целом идет упор на интеллектуальные материалы: высокомодульные, устойчивые к высоким температурам, адаптирующиеся к разным условиям. От разработок в данной сфере и внедрения их в массовое производство зависит общий успех вертолетостроения.

При создании лопастей помимо типа материала нужно определиться с формой лонжерона. Обязательно происходит подгонка показателей жесткости и веса, это необходимо для отстройки резонанса. Чтобы обеспечить нужную степень стойкости, всегда особенный акцент делается на земном резонансе.

Земной резонанс

Из чего сделан несущий винт и лопасти у вертолета?

Так называют совпадение частоты колебаний вертолета и несущего винта. Оно должно достигаться в момент, когда конструкция находится на земле, отсюда и название — земной. В этот период амортизаторы не полностью зажаты, они не могут поглотить и компенсировать всех колебаний. Вибрации такого типа называют самовозбуждающимися, они наблюдаются только в поперечной плоскости.

Появилось это понятие не сразу, а после того, как в строение были добавлены вертикальные шарниры. Однако, при определенных условиях явление может коснуться и вертолетов с полозковыми шасси, когда они пребывают во взвешенном состоянии.

В воздухе лопастная часть НВ создает колебания вокруг расположенных вертикально шарниров, так работает сила Кориолиса. Под воздействием этой силы любой объект, который расположен в южном полушарии планеты при движении будет отклоняться влево, в северном — вправо. Она действует и на человека, которые прогуливается неспешным шагом, но влияние на объект, который движения в воздухе на высокой скорости, будет более ощутимым. Свою роль играет и переменное профильное сопротивление, которое меняется в зависимости от расположения в пространстве. Но такие колебания не будут иметь существенного значения, так как своими оборотами на полной скорости винт создает внушительные центробежные силы. И если центр вращения совпадает с центром тяжести секторов винта, то вибрации загасятся.

При пробеге и разбеге до или после взлета обороты будут ниже, соответственно центробежные силы тоже. Аппарат будет колебаться из-за неровной поверхности под ним, а также потому, что вышеперечисленные условия не будут соблюдены. За счет этого несущая система начнет раскачиваться, а с ней и весь корпус, дополнительную энергию колебания будет добавлять двигатель. Когда колебания несущей системы и всех конструкции не совпадают, появляется резонанс. И он может разорвать конструкцию, если пилот не примет верного решения. Рулевой винт начнет работать по принципу гироскопа, это приводит к повреждению хвостовой балки.

Когда возникает и как распознать?

Есть ряд условий, которые могут спровоцировать данное явление:

  • несоблюдение правил при использовании амортизаторов, вертикальных шарниров и пневматиков колес;
  • при сильных порывах ветра;
  • если взлетать или садиться, разбегаясь на неровной поверхности или наскакивая на кочку;
  • в жару, когда в гидравлических демферах сгущается масло;
  • при высоком значении общего шага НВ во время движения по земле.

Пилоту несложно это распознать, при вертикальной посадке или пробежке по земле вертолет начинает раскачиваться, сначала на небольшую амплитуду, потом сильнее по нарастающей. Задачей пилота становится уменьшение энергии колебаний и при возможности избавление от их причин. Все это должно произойти очень быстро, так как разрушение корпуса может начаться уже через 6-7 секунд.

Режим вихревого кольца

Из чего сделан несущий винт и лопасти у вертолета?

Не менее опасное явление, когда под винтом сталкиваются два потока: набегающий снизу и индуктивный сверху. Так происходит при посадке, когда двигатель работает на небольшой поступательной скорости и высокой вертикальной. Вертолет начинает беспорядочно колебаться, и это требует моментальной реакции от пилота.

Провоцирующие факторы:

  • если горизонтальная скорость снижается до 40 км в час и меньше, а вертикальная превышает 2 метра в секунду.;
  • попутный ветер при посадке;
  • необходимость зайти на небольшую площадку, вокруг которой высокие ограничения;
  • выход из авторотации на низкой скорости, если предварительно не увеличить поступательную;
  • большая высота и высокая температура воздуха;
  • загруженность, близкая к максимальной.

Признаками становятся не только колебания, но и самопроизвольный рост вертикальной скорости на посадке, изменения в частоте вращения винта, снижение эффективности управления. Пилот плавно увеличивает общий шаг винта, чтобы скинуть вертикальную скорость. Если сделать так не получается, то он будет повышать горизонтальную скорость, чтобы она стала более 40 км в час, достигнет этой величины и перестанет снижать вертолет увеличением шага. Если при посадке произошел перелет, то оптимальным решением станет пойти на второй круг и начать снижаться вовремя.

Тестирования несущего винта

Из чего сделан несущий винт и лопасти у вертолета?

Вторая важная деталь помимо лопастей — втулка. Она создается с учетом требований по использованию, например, чтобы она позволяла складывать лопасти во время простоя. В ней есть несколько типов шарниров: упругости, скольжения, качения, вертикальные, так обеспечивается нужный уровень мобильности. Обязательно применяется технология для упрочнения, так как от втулки зависит прочность и надежность всего механизма НВ. Готовые изделия проходят ряд испытаний, это необходимо для того, чтобы убедиться в соответствии всем стандартам, только потом начинается серийное производство.

Прочность подшипников втулки рассчитывается с запасом, чтобы она выдерживала нагрузки от всех маневров при полной загруженности, а также сопротивление воздуха с сильными непредсказуемыми потоками. Для проверки прочности составляется программа использования на износ. В таких проверках исследуют надежность как минимум трех образцов. Тестирования могут проводить не только в воздухе, но и на земле, но только при условии полного воссоздания всех условий и объема нагрузок. Необходимо проверить ресурс без вращающихся винтов, это делается при помощи специальных стендов, затем с ними, используя натурный вертолет или испытательные башни. Последняя стадия тестирования — в аэродинамической трубе.

Для лопастей предусмотрены усталостные тестирования, их цель — оценить долговечность в реальных условиях. То есть узнать, сколько деталь прослужит под влиянием меняющихся нагрузок. Для этого предусмотрены резонансные стенды, нагрузку на которые подает инерционное виброустройство, его устанавливают прямо на тестируемый экземпляр. Необходимо проверить устойчивость не только к поперечным нагрузкам, но при подгрузках в статическом режиме и от центробежной силы. Исследователи отмечают, под каким воздействием появляются усталостные трещины, как быстро они расходятся. Это позволяет определить оптимальный период проведения планового обслуживания, соответственно, продлить срок службы вертолета.

Таким образом добиваются безопасности, надежности и долговечности вертолетов, их совершенствования и более точного соответствия целям, для которых те предназначены. Совершенствуется все, и применяемые технологии, и материалы, из чего делают лопасти вертолета. Глобальные изменения переживают даже те части конструкции, которые десятилетиями считаются фундаментальными.