Вертолеты и автожиры

Около 1500 года Леонардо да Винчи изобразил проект вертолета с винтом, приводимым в движение вручную. Позднее другие изобретатели разработали летающие модели, оснащенные двигателями. Но первые вертолеты, представлявшие практический интерес, появились только в 1930-е годы.

Для того чтобы удерживаться в воздухе, самолетам необходимо двигаться вперед. Движение крыла сквозь воздух создает силу, противоположную направленной вниз силе притяжения. Вертолеты же могут зависать в воздухе, т. к. подъемная сила создается за счет вращения их "крыльев". Так же, как у самолетов, подъемная сила создается потоком воздуха, огибающего поверхности крыла.

Эти узкие крылья вертолета называются лопастями. Вращение комплекту лопастей, называемому ротором, сообщается двигателем. А вот у автожира пропеллер двигает летательный аппарат вперед, и возникающий при этом поток воздуха заставляет ротор вращаться, как ветряную мельницу. Как и у вертолета, это вращение создает необходимую подъемную силу.

При зависании вертолета подъемная сила равняется его массе. Чтобы вертолет набирал высоту, увеличение подъемной силы достигается путем увеличения угла передней кромки лопастей по отношению к горизонтали, называемого углом атаки. Для одновременного увеличения угла атаки всех лопастей пилот использует рычаг, называемый сборным переключателем шага. При снижении подъемная сила уменьшается путем уменьшения угла атаки.

Направление движения 

При горизонтальном полете вперед ротор немного наклоняется вперед, чтобы обеспечивать подъемную силу и двигать вертолет по воздуху. Для этого угол атаки каждой из лопастей увеличивается, когда они оказываются сзади, и уменьшается - впереди. Ротор может наклоняться и в других направлениях, заставляя вертолет двигаться назад или в стороны. Пилот управляет наклоном ротора при помощи рычага циклического шага. Когда висящий вертолет начинает двигаться вперед, он может наклоняться на один бок. Это происходит потому, что за счет потока воздуха навстречу вертолету повышается скорость относительно воздуха лопасти, вращающейся вперед, в то время как скорость лопасти, вращающейся назад, уменьшается. Таким образом, подъемная сила обычно больше с одного борта вертолета и меньше - с другого. Для преодоления этой

проблемы лопасти крепятся на шарнирах, что делает их более гибкими и заставляет слегка изгибаться кверху при вращении вперед. Это приводит к уменьшению подъемной силы и противодействует ее увеличению вследствие повышения скорости лопастей относительно воздуха. В результате вертолет не подвергается нежелательному наклону.

Стабилизация 

В полете однороторный вертолет имеет тенденцию к медленному обращению вокруг своей вертикальной оси. Это объясняется третьим законом Ньютона: на всякое действие есть равное по силе противодействие. Иными словами, когда вертолет сообщает силу (действие) ротору, вращая его, ротор в свою очередь будет сообщать противоположно направленную силу (противодействие) вертолету. Поскольку вертолет относительно тяжелее, он будет обращаться медленно, однако вращающей силе все равно необходимо противопоставить другую, компенсирующую силу.

Большинство вертолетов имеют один основной ротор и комплект небольших вертикально расположенных лопастей - противо вращательный ротор. Он обеспечивает горизонтальную вращающую силу, которая гасит крутящий момент вследствие вращения основного ротора, таким образом стабилизируя вертолет.

Изменение тяги противо вращательного ротора обеспечивает изменение направления движения. Это достигается изменением угла атаки лопастей, что снижает тягу и позволяет вертолету повернуться в направлении, противоположном вращению основного ротора. Увеличение угла и тяги поворачивает вертолет в направлении вращения основного ротора.

Отказ двигателя

В случае отказа двигателя, вертолет можно безопасно посадить при помощи процедуры, называемой авторотацией. Пилот опускает сборный переключатель шага, вследствие чего кромка лопастей слегка накреняется вниз. При снижении вертолета воздух, огибающий лопасти, продолжает вращать их в нужном направлении. Когда вертолет приближается к земле, пилот снова приподнимает кромку лопастей для обеспечения подъемной силы, достаточной для замедления снижения перед посадкой.