«Как оно устроено»: Почему у западных легких вертолетов такая высокая колонка?

Этот текст почти целиком написан Тимофеем. Я его только чуть подредактировал и запостил.

В авиации общего назначения стран Запада наиболее популярным вертолётом является Bell-206; в областях военного применения не менее массово присутствуют различные варианты UH-1 (Bell-204/205/212). Эти аппараты отличаются довольно высоко расположенным двухлопастным несущим винтом на длинной колонке.
Итак, почему у западных легких вертолетов такая высокая колонка?

Чаще всего на этот вопрос можно услышать ответ, что это сделано для безопасности людей, находящихся рядом с вертолетом. Подняв несущий винт выше, конструкторы сделали так, что человек может стоять во весь рост под вращающимся винтом, не опасаясь быть задетым даже в случае отклонения винта от конструктивной плоскости вращения (например, согласно отклонению ручки управления или под действием внешнего потока - ветра).

Но это будет не полный ответ на вопрос. Вторая часть ответа более сложна и кроется в улучшении управляемости вертолетов, имеющих несущие винты с совмещенными горизонтальными шарнирами. Для представления особенности таких несущих винтов удобнее всего будет рассмотреть работу обычного несущего винта (НВ) с разнесенными горизонтальными шарнирами (ГШ).
Обычные многолопастные НВ имеют горизонтальные шарниры, которые отстоят на некотором расстоянии от оси вращения винта – так называемый разнос ГШ. Это вынужденное конструктивное решение имеет побочный эффект, который выражается в положительном влиянии на управляемость вертолета.
Рассмотрим две противоположные лопасти несущего винта на режиме висения вертолета.

Как видно, лопасти отклонились вверх на некоторый угол, называемый углом конусности несущего винта. Это угол отклонения одинаков по обе стороны винта (у обеих лопастей), т.к. на них действуют одинаковые силы.
А теперь представим, что пилот отклонил ручку управления, желая наклонить вертолет и начать горизонтальный полет. Наша картина с положением лопастей изменится: через систему управления и автомат перекоса команда пилота поступит на лопасти, увеличив углы установки на одной стороне НВ и уменьшив на другой. В соответствии с этим, угол взмаха лопасти на одной стороне винта станет больше, а на другой меньше, из-за разницы подъемных сил.

Эта разница и наклоняет вертолет в нужную сторону, как того желал пилот. Но… не только она.

Если на режиме висения вертолета положение лопастей было симметричным и результирующие силы от противоположных лопастей сходились на валу в одной точке, то при их отклонении результирующие силы "расходятся вдоль оси" – пересекают вал винта в разных местах (см. Рисунок 2). А это создает дополнительный момент, наклоняющий вертолет в нужную сторону. Т.е. вертолет начинает лучше реагировать на управление.

Наглядно механизм действия разноса горизонтальных шарниров и перемещения результирующих сил при отклонении лопастей можно продемонстрировать на простом примере. Для этого нам понадобится карандаш и нитки. Возьмем две нитки и привяжем каждую одним концом к карандашу. Карандаш у нас будет изображать вал несущего винта, а нитками мы сымитируем действие результирующих сил от двух лопастей. Положим карандаш на стол так, чтобы нитки были по разные стороны от него: слева и справа. Совместим узелки, которыми нитки привязаны к карандашу, вместе как можно плотнее – это будет режим висения вертолета, когда результирующие силы лопастей встречаются на валу в одной точке. Потащим за ниточки в разные стороны. Как видим, карандаш никуда не поворачивается (если мы тянем с одинаковой силой и узелки плотно совпадают). Так происходит на вертолете: силы уравновешивают друг-друга. Теперь немного, на один-два миллиметра, раздвинем узелки на нашем карандаше. Потянем ниточки и сразу же получим то, что карандаш поворачивается вслед за нитками. Так и несовпадающие результирующие силы от лопастей поворачивают вал, а за ним и вертолет.

Как можно легко убедиться, чем больше мы разносим узелки, тем лучше поворачивается карандаш. Так же происходит и на вертолете: чем на большее расстояние расходятся результирующие силы от лопастей, тем лучше управляется вертолет, т.е. лучше реагирует на команды пилота.

В реальности величина разноса горизонтальных шарниров, которая и определяет насколько разойдутся силы, составляет всего несколько процентов от радиуса несущего винта. Но и этого оказывается достаточно, т.к. силы от лопастей очень большие – тысячи и десятки тысяч кгс.

Но вернемся к несущим винтам с совмещенными горизонтальными шарнирами, которые имеют большинство легких вертолетов. В их случае ГШ объединены в один шарнир, находящийся на оси вала винта. Таким образом у них отсутствует какой-либо разнос ГШ и результирующие силы лопастей всегда сходятся в одной точке на валу – добавки к управлению, которую мы рассмотрели выше, нет. Чтобы компенсировать ее отсутствие, конструкторы увеличили высоту колонки несущего винта. Т.е. увеличили расстояние от втулки НВ до центра масс вертолета, или плечо действия аэродинамических сил.

Вертолет стал выше, но у него улучшилась управляемость: при сохранении силы большее плечо ее действия дает больший момент.

наверно еще устойчивость стОит помянуть?
аналогично - как рост расстояния меж ЦТ и точкой приложения тяги. Т.е, при любом случайном отклонении от вертикали плечо (расстояние умножить на синус теты) будет больше, а равно и выравнивающий момент.

Чего-то я не понял. Это вопрос такой? Или просветительством занимаетесь?
А чего на Bell'е зациклились. Есть еще MD500/600/900. Сикорский делает относительно небольшие вертолеты. Еврокоптер. Ни у кого "высокой" колонки не наблюдается. ИМХО, Белл как сделал первые модели - лишь бы нормально полетели, так и блюдут традицию. От добра добра не ищут. (Ищут конечно, но наверно ничего сильно лучше найти не смогли)

робинзоны забыл? самые дешевые массовые машинки - а поднята вилка. Просто так?
Еврокоптер - тяжелый мерлин или боевой тигр - там больше безопасность важна. Равно и доффин, т.д. - всё машины бОльшего веса.

Все равно, высокая колонка скорее исключение. У еврокоптера и маленькие есть. ес-135. Чегото 120-й серии. Плюс линксы, газели, мессершмит и вк-117, as-350/355, Дофен, а-109. И у всех никаких высоких колонок. Тенденция скорее обратная. Стремятся к динамической неустойчивости, компьютерному управлению и соответственно улучшению, ускорению управляемости. А робинсон на этом фоне редкостный уродец. Но свою нишу нашел При его цене, весе и размерах ЭДС ему не светит. Он даже по компоновке напоминает модельки вертолетов 40-летней давности. И конструкция у него на том-же уровне. Кстати для него как-раз стоит прикинуть на картинке высоту колонки и силует человека рядом.

Дмитрий, всеже, хорошее начало.

Давайте задам вопрос для внимательных читателей.
Рассмотрим обычный вертолет с многолопастным несущим винтом и разнесенными горизонтальными шарнирами. Согласно статье такой вертолет управляется не только аэродинамическими силами (разницей подъемных сил на диске винта), но и инерциальными (центробежными силами вращающихся лопастей). Если это так, то будет ли вертолет управляться в вакууме (пусть и не так вертко, как в атмосфере)?
Как известно, самолет в таких условиях неуправляем - на его рулевые поверхности не действует набегающий поток и их отклонение ни к чему не приводит. Но у вертолета, если вычесть аэродинамические силы, остаются инерциальные - центробежная сила лопастей никуда не исчезает. Пусть она меньше, чем аэродинамические силы на винте, но хоть какое-то управление должно остаться?

ну почему же самолёт не управляется в вакууме? будет реакция от всех органов управления из за их смещения. доли градусов, но таки! не хуже вертолёта в той же ситуации

Высокая колонка вроде обычно сопутствует двухлопастным НВ. Большой рост следствие собственных частот конструкции колонки и ноги растут из прочности.
Лапшин на AVIA.RU - Информационное агентство "Российская авиация и космонавтика" это объяснял.

офф//, а лапшин случаем не тот же самый, что у кщееша главным коструктором в Авиаме? Он еще и по вертушкам спец? круто!

Если СКБС МАИ, то да.
но вроде, он оттуда ушел.

По поводу вопроса о управляемости вертолета в вакууме:
"Вертолеты настолько обнаглели, что для управления им и воздух уже не нужен?"

Dmitry_A скромно прислал правильный ответ по электронной почте.
Вертолет не будет управляться. Хоть центробежные силы лопастей остаются и продолжают действовать, но... лопасти не смогут отклоняться от своей плоскости вращения (конструктивной плоскости вращения). Нет аэродинамических сил - нет и взмаха лопастей. Следовательно центробежные силы ничем помочь не могут - они всегда будут пересекаться на оси вала в одной точке и не имеют плеча для создания момента.
Эх...

насчёт управления сферическим вертолётом в вакууме
- так ведь есть силовые гироскопы ориентации - на орбитальных станциях используются
а это будет тотже гироскоп только несколько оригинального дизайна

>>какие современные западные вертолеты Вы считаете маневренными? Например, демонстрирующие фигуры пилотажа на выставках.
ну по причине економии там на соревнованиях на робинсонах часто летают. А вообще линкс похоже всех уделает.