Скорость вертолета

Скорость обычного вертолета редко превышает 200-300 километров в час. И даже военные вертолеты, для которых скорость полета может быть критически важной редко разгоняются выше 350 километров в час.

Кажется есть некий предел, быстрее которого летать не получается. Предел действительно есть.

Почему так, в чем причина? Все дело в основном отличии вертолета от самолета. У самолета крыло неподвижно, а у вертолета крыло, вращается, это и есть несущий винт.

Если у самолета крыло двигается ровно с той же скоростью что и сам самолет относительно потока воздуха, то у вертолета — она половина винта быстрее, а вторая, медленнее.

С какой скоростью летает вертолет

*Обычно, максимальная скорость всего на 5-10% выше чем крейсерская.

Для винта вертолета есть две скорости:

1. Угловая скорость вращения —  сколько оборотов в минуту делает винт
2. Линейная скорость относительно потока — с какой скоростью воздух обдувает лопасть

Лопасть которая движется в сторону полета называется наступающей (зеленая стрелка), а та которая движется в противоположную сторону — отступающей (желтая стрелка).

Скорость обдува наступающей лопасти — это сумма скорости самой лопасти и скорости вертолета (фиолетовая стрелка). А отступающей — разница между скоростью вертолета и скоростью лопасти.

Проблему для увеличения скорости полета создает как раз наступающая лопасть.

Придется немного посчитать на школьном уровне математики.

Расчет скорости вертолета

С угловой скоростью все понятно, больше «газа» — быстрее вещается вал. А вот линейная скорость рассчитывается так:

V=ωR

То есть, угловая скорость умножается на радиус. В нашем случае это длинна лопасти.

Если посчитать скорость на концах винта всех четырех вертолетов упомянутых выше получится очень интересно. Но для начала нудно перевести скорость вращения  из оборотов в минуту в другой формат — радианы в секунду. И конечно разделить диаметр винта на два, ведь нужен радиус.

• Ми-8: 20,11 рад/с
• Bell UH-1 Huey: 33,93 рад/с
• UH-60 Black Hawk: 27,02 рад/с
• Aérospatiale SA 330 Puma: 27,75 рад

Теперь получаем нужную скорость:

• Ми-8: $214,1\text{м/с = 770,6 км/ч}$
• UH-1 Huey: $\text{= 893,4 км/ч}$
• UH-60: $\text{= 795,7 км/ч}$
• Puma: $\text{= 749,2 км/ч}$

Мы получили скорость на кончиках лопастей если вертолет висит и не двигается. А вот если добавить максимальную скорость для наступающей лопасти:

• Ми-8: $\text{770,6 + 250 = 1020,6 км/ч}$
• UH-1 Huey: $\text{893,4 + 217 = 1110,4 км/ч}$
• UH-60: $\text{795,7 + 296 = 1091,7 км/ч}$
• Puma: $\text{749,2 +280 = 1029,2 км/ч}$

Скорость звука на высоте 3 километра, где чаще всего летают вертолеты составляет 1 183 километра в час или 328,6 метра в секунду.

Неприятные явления связанные со сверхзвуковым обтеканием начинаются уже при скорости 0,8М, то есть 80-85% от скорости звука. А это примерно 1000 километра в час.

Вот он, предел скорости который мы искали, как и для самолета — это скорость звука.

Ограничение скорости вертолета

Винт вертолета не должен вращаться быстрее 80% от скорости звука на определенной высоте, иначе начнется образование ударных волн, резкий рост волнового сопротивления, вибрация…

В итоге лопасть может просто оторвать, вертолет может потерять управление. Очень опасная ситуация.

Максимальная скорость вертолета ограничена его конструкцией и физикой. Нельзя допускать чтобы скорость винта относительно воздуха даже приближалась к скорости звука.

Максимальная скорость вертолета не может быть выше чем разница между скоростью на концах лопастей и критической скорости звука. Простыми словами — вертолет не может летать быстро именно потому, что винт у него вращается тоже быстро.

Конечно существуют хитрости которые помогают оттянуть наступление «волнового кризиса» и летать немного быстрее:

1. Специальные законцовки которые меняют обтекания лопасти воздухом. Точно так же как для самолета, повышают стреловидность крыла, так же и для лопасти вертолета пытаются сделать «стреловидные» лопасти
2. Использование сверхкритических (очень тонких) профилей для лопасти
3. Сверх гладкие композитные материалы тоже немного меняют характер обтекания лопасти воздухом
4. Снижение скорости вращения винта или снижение скорости полета вертолета — самый действенный из способов

Получается, для для любого вертолета максимальная скорость не может быть больше определенного значения. А сверхзвуковой вертолет не может существовать в принципе.

Westland Lynx — самый быстрый классический вертолет. Установлены специальные законцовки BERP

Сильно снизить скорость вращения винта нельзя, иначе вертолет просто опустится на землю, а игры с аэродинамикой могут обеспечить нормальный полет при числе маха равном немного большим чем критический. Но за значение 0,95 для лопасти винта еще никому не удалось забраться.

Ведь когда наступающая лопасть переходит в трансзвуковой режим, у отступающей он все еще дозвуковой, а значит и сопротивление и подъемная сила слева и справа будут очень разными.

Так инженеры пытаются уменьшить влияние сверхзвукового обтекания. Как и для крыла самолета, увеличить стреловидность винта

Для специально подготовленных вертолетов на которых ставились рекорды скорости, он не превышала 400 км/час. Скорость гражданского вертолета — это честные 250 километров в час. Даже для военных летать быстрее 300 километров в час не представляется возможным.

Может ли вертолет летать быстрее

Есть только один способ, который позволит вертолету летать быстрее своего предела. Нужно перестать быть вертолетом.

И такие экспериментальные не-вертолеты уже есть. Это конвертопланы и гибридные вертолеты.

V-280 Valor

Конвертопланы, конечно же быстрее вертолетов, ведь летают они как самолеты, используя крыло для создания подъемной силы.

Просто для взлета и посадки винты конвертоплана поворачиваются вверх. Для конвертоплана крейсерская скорость 520 километров в час, обычное явления, а для вертолета такая скорость — фантастика.

Экспериментальные вертолеты

В далеком 1967 году первый полет совершил вертолет AH-65 Cheyenne (Шайен). Его с скорость в горизонтальном полете составляла 407 километров в час благодаря двум хвостовым винтам. Один обычный, расположенный сбоку от хвостовой балки, а вот второй — толкающий, который и позволял вертолету прибавить +100 километров в час к максимальной скорости.

У Шайен, как и у его конкурента в конкурсе S-67 Blackhawk были крылья, которые должны были создавать подъемную силу при большой скорости, подобно самолету.

В то время такая концепция казалась очень перспективной.

AH-65 Cheyenne — экспериментальный вертолет Locheed

Но инженерам так и не удалось победить плохую управляемость и вибрации, которые были вызваны использованием жесткого ротора.

Обычно у вертолета лопасти соединены с валом через шарнир, что позволяет им стабилизироваться в полете. Но с ростом скорости приходится отказываться от шарнирного соединения иначе лопасти просто оторвет.

В проекте «Шайен» сделать жесткий ротор на котором бы не возникали опасные вибрации не получилось.

Piasecki X-49 SpeedHawk — гибрид самолета и вертолета, кроме толкающего винта у него есть еще и крыло которое и обеспечивает подъемную силу при увеличении скорости, а значить скорость вращения винта можно снижать и не падать. Первый полет совершил в 2007 году. Но заявленной скорости в 400 километров в час так и не достиг.

Piasecki X49 SpeedHawk — еще один эксперимент

Eurocopter X3 в 2013 сумел разоняться до немыслимых ранее 472 км/час. При этом законцовки несущего винта достигали скорости 0,91 Мах, то есть 91% от скокрости звука.

Eurocopter X3

Экспериментальный вертолет Сикорского X2 показал скорость в 474 километра в час, его последователь S-97 был уже не таким быстрым, крейсерская скорость составляла 410 километра в час. Предсерийный вертолет SB-1 Defiant разгонялся до 437 км/час. Но конкурс, в котором SB-1 участвовал как перспективный высокоскороскросной летательный аппарат просто отменили.

Sicorsky X2

У машин Сикорского тоже используется жесткий ротор и толкающий пропеллер, но крыла для создания подъемной силы уже нет.

При повышении скорости винты просто начинают вещаться медленнее продолжая выполнять функцию крыла.

Используется соосная схема ротора — этого два вращающихся в противоположных направлениях винта.

Инженерам удалось добиться большой жесткости конструкции, лопасти не перехлестываются, а значить высоту ротора можно уменьшить, что уменьшает лобовое сопротивления и позитивно сказывается опять же на жесткости.

Автомат перекоса вообще отсутствует, от вертолета остался только принцип вращающегося винта. Это совершенно новый класс летательных аппаратов.

Чтобы летать быстрее вертолеты должны измениться принципиально. И конструкторы к тому уже готовы. Не готовы пока только заказчики, и военные, и гражданские. Технология уже давно есть, нет только заказчика готового рискнуть ради скорости.