Петр Образцов - Русские гении за рубежом. Зворыкин и Сикорский
6. Вторая война и вертолеты
Настала пора разобраться, что это такое, как летает и какие бывают винтокрылые небесные птицы.
По определению, вертолетами считаются летательные аппараты, у которых подъемная и движущая сила создаются вращающимися винтами. Ранее в русском языке использовалось — и часто используется до сих пор для «красивости» — другое название для таких аппаратов, а именно «геликоптер». Слово «вертолет» придумал то ли фантаст Казанцев, то ли кто-то из наших вертолетчиков, то ли было наполовину заимствовано из названия одной американской (вертолетной!) компании, да это и не важно.
Для простоты рассмотрим вертолет с одним несущим винтом с дополнительным рулевым винтом на хвосте аппарата или даже без этого рулевого винта. Так вот, несущий винт имеет две или четыре лопасти, расположенные под некоторым углом к плоскости вращения винта. Как крылья самолета — для создания подъемной силы, разве что у самолета крылья намертво соединены с фюзеляжем и угол всегда один и тот же, а у вертолета лопасти могут находиться под разными углами к плоскости вращения винта.
К определению вертолета стоит добавить, что данный аппарат способен взлетать в воздух и садиться на землю вертикально — именно поэтому вертолетам не требуется взлетно-посадочная полоса. Начиная с 2013 года на вертолетах начали перемещаться из Кремля в свои загородные резиденции президент России и премьер-министр, что предотвращает создание коллапса на московских улицах, по которым ранее двигался кортеж из лимузинов и джипов охраны. Понятно, что ни в Кремле, ни на виллах взлетно-посадочных полос нет.
Поэтому возникает естественный вопрос, каким таким образом вертикально взлетает и садится вертолет — с самолетом-то все понятно: набегающий на разгоняющийся борт воздух создает подъемную силу. Над крылом давление воздуха меньше, под крылом — больше, и борт тянет вверх. Можно сказать и несколько иначе — из-за нахождения крыльев под углом к набегающему потоку скорость воздуха над крылом больше скорости воздуха под крылом. Дело в том, что путь воздуха над крылом больше пути под крылом, а время прохождения этих путей должно быть одинаковым (скорость равна: путь, деленный на время). По закону Бернулли, давление в области большей скорости ниже давления в области меньшей скорости — вот вам и подъемная сила. Примерно то же самое и у вертолетов, только роль самолетных крыльев в этом случае играют лопасти. Они принудительно вращаются двигателем, и поэтому набегающего потока воздуха в случае разбега самолета не требуется — набегающий поток появляется благодаря вращению.
Однако действие равно противодействию, и тот же винт при вращении создает силу отдачи, стремящуюся вращать корпус вертолета в обратную сторону. Чтобы устранить это обязательное, но крайне неподходящее явление, и предназначен небольшой хвостовой рулевой винт. Другим естественным вариантом является установка на одной оси с первым несущим винтом второго винта, вращающегося в противоположную сторону. К этой непростой и замечательной схеме мы еще не раз вернемся — вертолеты с такой соосной схемой расположения несущих винтов стали главными конкурентами аппаратов Сикорского. Есть и еще один вариант компенсации вращательного момента, использующий так называемый эффект Коанда (прилипание струи воздуха к лопасти), но это экзотика, и такие вертолеты — редкость.
Первые вертолеты, в том числе построенные Сикорским в начале XX века, стремились завалиться на бок, поскольку скорость лопастей, движущихся вперед, больше скорости лопастей, движущихся назад (это, конечно, одни и те же лопасти, но в разный момент времени). В результате одна половина винта (например, правая) создает большую подъемную силу, чем другая половина (левая), и обеспечивает сваливание. То же самое относится и к заваливанию вертолета вперед или назад, если рассматривать переднюю и заднюю половины вращающегося винта, — такое заваливание называется красивым словом «тонгаж» (от французского «продольная качка»). Для устранения этих эффектов придуман так называемый автомат перекоса — опять-таки русским изобретателем Борисом Юрьевым в 1911 году (о нем мы раньше уже упоминали). Правда, применять этот механизм начали гораздо позже. Механизм работает так: углы наклона лопастей на правой половине винта и на левой половине винта постоянно принудительно изменяются и этим компенсируется различие в подъемных силах.
А что касается движущей силы вертолета, то она создается все тем же несущим винтом, для чего вертолет наклоняется несколько вперед и, в общем, так и летает. Но именно — вертолет, снабженный двигателем для вращения несущего винта, или даже несколькими двигателями для вращения несущего и рулевого винтов, или даже несколькими несущими и рулевыми винтами. Иначе летает автожир — изобретение испанца Сиерва, который построил и испытал такой аппарат в 1919 году. У автожира (от греческого «самокруг») нет несущего двигателя, и лопасти, в принципе, такие же, как у вертолета, вращаются сами под действием набегающего воздуха и — довольно забавно! — сами по себе создают подъемную силу. Разумеется, набегающий воздух появляется не сам по себе, а в результате работающего маршевого винта автожира, крутящегося небольшим двигателем. Понятно, что автожиру, в отличие от вертолета, требуется некоторый разбег по взлетной полосе, которая все же намного, намного короче, чем у самолетов. Горизонтальный полет автожира обеспечивается все тем же маршевым двигателем. Автожир настолько отработанная и простая штука, что одноместные автожиры совершенно спокойно можно сделать, что называется, своими руками — продаются специальные наборы деталей.
Промежуточным вариантом между вертолетом и автожиром является винтокрыл, у которого несущий винт снабжен двигателем. Вращением этого винта обеспечивается возникновение подъемной силы, но не движущей. При больших скоростях двигатель отключается, и винт работает в режиме авторотации — как у автожира. Разумеется, наличие двигателя несущего винта позволяет винтокрылу взлетать вертикально — как вертолет. Существует еще красивый вариант, называемый конвертопланом. У этого аппарата пара винтов поднимает его по вертолетной схеме, а в воздухе они поворачиваются на 90 градусов и действуют как самолетные винты для горизонтального полета.
Напоследок коротко скажем о двоюродном брате семейства винтокрылых машин, сходных с ними только по одному параметру — способности взлетать и садиться вертикально. Это турболет — первоначально бескрылая штуковина неопределенной формы, взлетающая с помощью реактивного двигателя, отбрасывающего реактивную струю вертикально вниз. Со временем турболеты превратились в самолеты с вертикальным взлетом. Вид турболета — спускаемый на Луну аппарат американской программы «Аполлон».
