Швидкість звичайного вертольота рідко перевищує 200-300 кілометрів на годину. І навіть військові вертольоти, для яких швидкість польоту може бути критично важливою, рідко розганяються вище 350 кілометрів на годину.
Здається, є певний межа, швидше якої літати не виходить. Предел дійсно є.
Чому так, в чому причина? Справа в основному відмінності вертольота від літака. У літака крило нерухоме, а у вертольота крило, що обертається, це і є несучий гвинт.
Якщо у літака крило рухається рівно з тією ж швидкістю, що і сам літак відносно потоку повітря, то у вертольота — це половина гвинта швидше, а друга, повільніше.
З якою швидкістю літає вертольот
Параметр
Мі-8
Bell UH-1 Huey
UH-60 Black Hawk
SA 330 Puma
Крейсерська швидкість* (км/год)
225
204
282
257
Максимальна швидкість (км/год)
250
217
296
280
Максимальна взлітна маса (кг)
12 000
4 309
9 979
7 400
Дальність польоту (км)
500
511
584
570
Діаметр несучого гвинта (м)
21,29
14,63
16,36
15,00
Швидкість обертання гвинта (об/хв)
192
324
258
265
*Зазвичай, максимальна швидкість всього на 5-10% вище ніж крейсерська.
Для гвинта вертольота є дві швидкості:
Кутова швидкість обертання — кількість обертів на хвилину, які робить гвинт
Лінійна швидкість відносно потоку — з якою швидкістю повітря обдуває лопасті
Лопасть, яка рухається у напрямку польоту, називається наступаючою (зелена стрілка), а та, яка рухається в протилежному напрямку — відступаючою (жовта стрілка).
Швидкість обдува наступаючої лопасті — це сума швидкості самої лопасті і швидкості вертольота (фіолетова стрілка). А відступаючої — різниця між швидкістю вертольота і швидкістю лопасті.
Проблему для збільшення швидкості польоту створює саме наступаюча лопасть.
Доведеться трохи порахувати на шкільному рівні математики.
Розрахунок швидкості вертольота
З кутовою швидкістю все зрозуміло, більше “газу” — швидше в’ється вал. А от лінійна швидкість розраховується так:
V=ωR
Тобто, кутова швидкість помножується на радіус. У нашому випадку це довжина лопасти.
Якщо розрахувати швидкість на кінцях гвинта всіх чотирьох вертольотів, згаданих вище, виходить дуже цікаво. Але спочатку треба перевести швидкість обертання з обертів на хвилину в інший формат — радіани в секунду. І звичайно поділити діаметр гвинта на два, адже потрібен радіус.
Мі-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
Тепер отримуємо потрібну швидкість:
Мі-8: 770,6 км/год
UH-1 Huey: 893,4 км/год
UH-60: 795,7 км/год
Puma: 749,2 км/год
Ми отримали швидкість на кінчиках лопатей, якщо вертольот висить і не рухається. А от якщо додати максимальну швидкість для наступаючої лопасті:
Мі-8: 1020,6 км/год
UH-1 Huey: 1110,4 км/год
UH-60: 1091,7 км/год
Puma: 1029,2 км/год
Швидкість звуку на висоті 3 кілометрів, де частіше всього літають вертольоти, складає 1 183 кілометри на годину або 328,6 метра в секунду.
Неприємні явища, пов’язані з надзвуковим обтічанням, починаються вже при швидкості 0,8М, тобто 80-85% від швидкості звуку. Це приблизно 1000 кілометрів на годину.
Ось він, предел швидкості, який ми шукали, як і для літака — це швидкість звуку.
Обмеження швидкості вертольота
Гвинт вертольота не повинен обертатися швидше 80% від швидкості звуку на певній висоті, інакше почнеться утворення ударних хвиль, різкий ріст хвильового опору, вібрація…
В результаті лопасть може просто відірвати, вертольот може втратити управління. Дуже небезпечна ситуація.
Максимальна швидкість вертольота обмежена його конструкцією і фізикою. Неможливо допустити, щоб швидкість гвинта відносно повітря навіть наближалася до швидкості звуку.
Максимальна швидкість вертольота не може бути вище ніж різниця між швидкістю на кінцях лопастей і критичною швидкістю звуку. Простими словами — вертольот не може летіти швидко саме тому, що гвинт у нього обертається також швидко.
Звичайно існують хитрості, які допомагають відтягнути настання “волнового кризу” і летіти трохи швидше:
Спеціальні закінчення, які змінюють обтікання лопатей повітрям. Точно так само, як для літака, підвищують стріловидність крила, так само і для лопаті вертольота намагаються зробити “стріловидні” лопаті
Використання сверхкритичних (дуже тонких) профілів для лопаті
Сверхгладкі композитні матеріали теж трохи змінюють характер обтікання лопаті повітрям
Зниження швидкості обертання гвинта або зниження швидкості польоту вертольота — найефективніший зі способів
Отже, для будь-якого вертольота максимальна швидкість не може бути більше певного значення. А надзвуковий вертольот не може існувати в принципі.
Westland Lynx — найшвидший класичний вертольот. Встановлені спеціальні закінчення BERP
Дуже сильно знизити швидкість обертання гвинта не можна, інакше вертольот просто впаде на землю, а гри з аеродинамікою можуть забезпечити нормальний польот при числі маха, рівному трохи більшому, ніж критичний. Але за значення 0,95 для лопаті гвинта ще нікому не вдалося дістатися.
Для спеціально підготовлених вертольотів, на яких встановлювали рекорди швидкості, вона не перевищувала 400 км/год. Швидкість цивільного вертольота — це чесні 250 кілометрів на годину. Навіть для військових летіти швидше 300 кілометрів на годину не вважається можливим.
Чи може вертольот летіти швидше
Є лише один спосіб, який дозволить вертольоту летіти швидше свого пределу. Потрібно перестати бути вертольотом.
І такі експериментальні не-вертольоти вже є. Це конвертоплани і гібридні вертольоти.
V-280 Valor
Конвертоплани, звичайно, швидше вертольотів, адже літають вони як літаки, використовуючи крило для створення підйомної сили.
Просто для зльоту і посадки гвинти конвертоплана повертаються вгору. Для конвертоплана крейсерська швидкість 520 кілометрів на годину, звичайне явище, а для вертольота така швидкість — фантастика.
Експериментальні вертольоти
У далекому 1967 році перший політ здійснив вертольот AH-65 Cheyenne. Його швидкість в горизонтальному польоті складала 407 кілометрів на годину завдяки двом хвостовим гвинтам. Один звичайний, розташований збоку від хвостової балки, а от другий — толкаючий, який і дозволяв вертольоту додати +100 кілометрів на годину до максимальної швидкості.
У Шайен, як і у його конкурента у конкурсі S-67 Blackhawk, були крила, які повинні були створювати підйомну силу при великій швидкості, подібно літаку.
Тоді така концепція здавалася дуже перспективною.
AH-65 Cheyenne — експериментальний вертольот Locheed
Але інженерам так і не вдалося перемогти погану керованість і вібрацію, які викликали використання жорсткого ротора.
Зазвичай у вертольота лопасті з’єднані з валом через шарнір, що дозволяє їм стабілізуватися в польоті. Але зі зростанням швидкості доводиться відмовлятися від шарнірного з’єднання інакше лопасті просто відірветься.
У проекті “Шайен” зробити жорсткий ротор, на якому не виникали небезпечні вібрації, не вдалося.
Piasecki X-49 SpeedHawk — гібрид літака і вертольота, крім толкаючого гвинта у нього є ще і крило, яке і забезпечує підйомну силу при збільшенні швидкості, а значить швидкість обертання гвинта можна знижувати і не падати. Перший політ здійснив у 2007 році. Але заявленої швидкості в 400 кілометрів на годину так і не досяг.
Piasecki X49 SpeedHawk — ще один