2. НЕСУЩИЙ ВИНТ
Обычно анализ аэродинамики несущего винта начинают с рассмотрения сил, действующих на лопасть.
Лопасть несущего винта можно сравнить с крылом самолета с той лишь разницей, что она обтекается не прямолинейным поступательным воздушным потоком, а потоком, возникающим в результате вращательного движения ее.
В литературе вертолет иногда называют летательным аппаратом с вращающимися крыльями. Действительно, можно представить себе несущий винт как крылья, вращающиеся вокруг общей оси. Сравнение лопасти несущего винта с вращающимся крылом самолета позволяет анализировать ее аэродинамику с позиций аэродинамики крыла самолета.
После того как выявлены основные закономерности для сил, действующих на лопасть при различных режимах полета, следует перейти к общему анализу аэродинамических характеристик всего несущего винта. Площадь, ометаемая лопастями при вращении, принимается как несущая поверхность, подобная крылу самолета, создающая помимо подъемной силы еще и тягу, которая сообщает движение всему вертолету.
Покажем на примере, что поверхность, ометаемую несущим винтом при его вращении, можно условно принимать за аэродинамическую поверхность. Пусть в воздухе с высоты Н свободно падают три одинаковых груза, к которым присоединены три различные поверхности, создающие воздушное сопротивление (рис. 46).
К первому грузу шарнирно присоединен воздушный винт, способный вращаться при воздействии встречного воздушного потока; ко второму грузу жестко присоединена пластина, длина и площадь которой равны диаметру и площади лопастей воздушного винта; к третьему грузу присоединен сплошной диск, равный по площади ометаемой площади воздушного винта.
Рис. 46. Воздушное сопротивление трех различных аэродинамических поверхностей при падении груза с высоты Н
Через несколько секунд падения все три груза окажутся на разной высоте. Наибольшая потеря высоты будет у того груза, к которому жестко присоединена прямоугольная пластина.
Груз с вращающимся винтом и груз со сплошным диском будут снижаться со значительно меньшей скоростью, чем груз с пластинкой, и окажутся приблизительно на одинаковой высоте.
Если замерить силу воздушного сопротивления всех трех падающих предметов, то можно убедиться в том, что воздушное сопротивление вращающегося винта в 8—10 раз больше, чем у неподвижной прямоугольной пластины, и приблизительно равно воздушному сопротивлению сплошного диска. Это означает, что в создании полной аэродинамической силы у воздушного винта принимает участие не только поверхность самих лопастей, но и вся поверхность, ометаемая винтом.
Объясняется это тем, что воздух является неразрывной, достаточно вязкой средой и движение какой-либо бесконечно малой его струйки вызывает движение соседних слоев воздуха.
При вращении несущего винта каждый сектор ометаемой им поверхности 10—20 раз в течение одной секунды пересекается какою-либо из лопастей, при этом лопасть, вступая во взаимодействие
с встречным воздушным потоком, скашивает его вниз.Это воздействие лопасти на воздух распространяется на близлежащие его слои так, что весь воздух, лежащий над и под поверхностью, ометаемой винтом, приходит в движение.
На рис. 47 представлена диаграмма индуктивных скоростей воздушного потока трехлопастного винта по поверхности его вращения в каждый бесконечно малый промежуток времени.
Рис. 47. Распределение индуктивных скоростей по поверхности вращения
несущего винта
В нижней части рисунка показана диаграмма индуктивных скоростей вращения несущего винта по окружности с радиусом
R, которая развернута в прямую линию.Как видно из этого рисунка, индуктивная скорость будет иметь наибольшие значения в тех местах окружности, где находится в этот момент какая-либо из лопастей.
Кроме того, каждая лопасть оказывает влияние на лопасть, следующую за ней, понижая несколько эффективность взаимодействия ее с воздушным потоком от вращения. Поэтому количество лопастей несущего винта должно быть невелико.
В этом смысле идеальным винтом был бы однолопастный винт, однако такой винт невозможно было бы уравновесить. Итак, за аэродинамическую поверхность несущего винта вертолета принимается не только площадь лопастей винта, а вся ометаемая им площадь.
