автор: Гайнетдинова Регина

возраст: 15 лет

место учебы: МБОУ СОШ с. Красная Горка

город, регион: Республика Башкортостан, Нуримановский район, с. Красная Горка

научный руководитель: Сарбаева Альфия Аглямовна

историко - исследовательская работа: История, устройство и эксплуатация вертолетной техники

План исследовательской работы:

Введение

1.История создания вертолета

2.Устройство вертолета

      2.1.Несущий винт

2. 2Автомат перекоса

       2,3 Силовая установка вертолета

       2,4 Трансмиссия

2,5  Фюзеляж

       2,6 Оперение

       2,7 Вертолетно – посадочные устройства

       2,8 Рулевой винт

3, Эксплуатация вертолета

Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Вертолет – это винтокрылый летательный аппарат, у которого подъемная и движущая силы на всех этапах полета создаются одним или несколькими  несущими винтами с приводом от одного или нескольких двигателей.Подъемная сила – это сила, перпендикулярная вектору скорости движения центра тяжести тела, возникающая вследствие несиметрии обтекания тела потоком газа.

В вертолете подъемную силу создает главный винт, или ротор. Лопасти ротора — это не что иное, как крылья. Они действительно имеют форму крыла, только гораздо уже. Вращаясь, лопасти рассекают воздух (то есть как раз имеют дело со встречным потоком воздуха) и возникает подъемная сила. То есть, если для взлета самолета требуется движение всего аппарата, то вертолету ничего такого не нужно. «За него» работают лопасти.

Воздух, обтекая лопасти вертолета, разделяется на два потока: над крылом и под ним. Нижний поток протекает себе, как ни в чем не бывало, а верхний сужается. Ведь профиль крыла выпуклый сверху! И теперь для того, чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время, как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее, ведь сам поток  стал уже. Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот. Этот закон очень просто иллюстрируется. Если взять не слишком узкий  горизонтальный  шланг (рукав) из тонкой прозрачной резины и влить в него воды под небольшим давлением. Что вы увидите? Да ничего особенного, вода просто быстро выльется через другой конец. А вот если на этом другом конце окажется наполовину закрытый кран, то вы сразу увидите, что вода выливается, но медленно и стенки рукава раздулись, то есть скорость потока уменьшилась  и давление возросло.

Аэродинамика - раздел механики сплошных сред, в котором изучаются закономерности движения воздуха и других газов, а также характеристики тел, движущихся в воздухе. К аэродинамическим характеристикам тел относятся подъемная сила и сила сопротивления и их распределения по поверхности, а также тепловые потоки к поверхности тела, вызванные его движением в воздухе. В аэродинамике рассматриваются такие тела, как самолеты, ракеты, воздушно-космические летательные аппараты и автомобили.

Целью моей исследовательской работы изучение конструкции вертолетной техники.

Задачи исследовательской работы:

- изучить особенности конструкции вертолетной техники;

- рассмотреть принцип действия полета вертолета;

- ознакомиться с использованием вертолетов в современном мире.

ИСТОРИЯ

Самолет около 40 лет оставался одним из первых в воздушном пространстве. Настало время, когда возникла потребность в другом аппарате, который бы не зависел от скорости, мог бы повиснуть в воздухе, смог бы вертикально подняться и сесть. Назрела необходимость в новой летательной машине.

Так появился вертолет, который взлетает с места, не разбегаясь, может повиснуть на заданной высоте, совершать повороты любой направленности, а для посадки которого достаточно небольшой площадки. Почти одновременно с самолетами появляются и винтокрылые машины, так называемые геликоптеры и автожиры. Одним из первых было изобретение французов Бреге и Рише.

В 1907 году впервые 4-х винтовой вертолет поднялся над землей. После этого началась эра изобретения и совершенствования винтокрылых машин. Одним из них был студент МВТУ Юрьев Борис, который в 1911 году предложил схему вертолета, на котором был один винт, но, к сожалению, патент он не смог получить, потому что у него не было денег. Тем не менее, по его проекту был собран макет одновинтового вертолета и завоевал малую золотую медаль в Москве, где проходила международная выставка по воздухоплаванию. Однако в училище не было денег для строительства вертолета. В это время появляются многовинтовые вертолеты в Англии, Франции. В Англии в 1914 году Мумфорд пролетел с поступательной скоростью, а в 1924 году во Франции Эмишен совершил полет по замкнутому кругу. В это же время Юрьев, став начальником экспериментального аэродинамического отдела ЦАГИ, решил претворить в жизнь схему своего одновинтового вертолета. Первый вертолет 1-ЭА построил Алексей Черемухин из команды Юрьева. В 1930 году прошли испытания этого вертолета, где пилотом был Черемухин. Результаты этого испытания были отличные. Алексей Черемухин в 1932 году поставил абсолютный мировой рекорд, поднявшись на высоту 605 метров. Но до совершенства было еще далеко, вертолет в воздухе был неустойчивым, был жесткий несущий винт.Обучение пилотов стало с того момента обязательно, ведь до этого пилоты проходили только краткий инструктаж по управлению, но все-таки такие курсы еще были далеки от современных.

В 1940 году наконец-то было создано конструкторское бюро, во главе которого был Юрьев ,затем ему на смену пришел Иван Братухин, а Юрьев занялся преподавательской деятельностью. Во время Отечественной войны в лидеры по вертолетостроению вышла Германия. Главная роль отводилась схеме одновинтовых вертолетов, в чем большая заслуга американского авиаконструктора Игоря Сикорского, по происхождению русского, эмигрировавшего в Америку в 1919 году. Создание своего первого вертолета S-46(VC-300) в 1939 году принесло ему мировую славу, так как он первый усовершенствовал схему одновинтового вертолета. Вертолет Сикорского двигался вниз и вверх, назад и вбок, зависал в воздухе, мог развернуться на месте, но не хотел лететь вперед. К 1942 году он смог, благодаря конструкторским решениям, устранить и этот недостаток, что послужило в дальнейшем созданию новых вертолетов, в том числе и военных. Сикорским в 1946 году была разработана модельS-51(было выпущено 554 вертолета), которая нашла применение в хозяйственной и военной области. Но наибольшего успеха достиг вертолетS-55»Чикасо»(1949) и S-58»Сибэт»( 1954). Было собрано на заводе Сикорского 1828 вертолетов модели S-55 и 2261 вертолет модели S-58.

Впервые в 1952 году был совершен перелет из Америки в Европу через Атлантический океан на двух вертолетах S-55.В 1957 году Сикорский оставил руководство компании. А в Советском Союзе в эти годы началась серьезная разработка вертолетов. Юрьев после войны добивается открытия двух новых конструкторских бюро, которые возглавили Михаил Миль и Николай Камов . В это же время КБ Яковлева тоже занялось работой над проектированием вертолетов. Продолжал свои исследования и Братухин, его вертолет Г-3 появился в 1946 году. Выпуск первого своего вертолета КА-8 Камов осуществил в 1947 году. В 1951 был запущен в производство вертолет Миля Ми-1, который был создан по схеме Юрьева и победил в конкурсе на лучшую советскую модель.

2 УСТРОЙСТВО ВЕРТОЛЕТА

Рассмотрим подробно основные части конструкции вертолета.

           2.1 Несущий винт

          Несущий винт вертолета предназначен для поддержания и перемещения вертолета в воздухе. При вращении его в горизонтальной плоскости винт создает тягу, направленную вертикально вверх. Когда сила тяги станет больше веса вертолета, вертолет без разбега оторвется от земли и начнет подниматься вверх. При равенстве же силы тяги и веса вертолета, вертолет будет висеть в воздухе. А для вертикально снижения достаточно просто силу тяги сделать меньше веса вертолета. Таким образом, вертолет изменяет высоту. Для того же, чтобы вертолет смог осуществить поступательное движение, то есть чтобы он смог полететь в какую либо сторону,  необходимо наклонить плоскость в которой вращается его несущий винт  в какую-либо сторону и вертолет, вследствие изменения направления подъемной силы полетит в ту же самую сторону,  а его горизонтальная составляющая будет удерживать вертолет на определенной высоте.

Подобно крылу самолета лопасти несущего винта находятся под углом к плоскости вращения винта этот угол называется углом установки лопастей, но в отличии от неподвижного самолетного крыла угол установки лопастей может изменяться в широких пределах ( вплоть до 30 градусов ), именно поэтому вертолет может лететь не только вперед.

         При вращении несущего винта возникают реактивные моменты, которые стремятся закрутить вертолет в сторону, противоположную той, куда вращается несущий винт вертолета. Реактивный момент – это сила,

противоположная силе вращения. Для устранения реактивных моментов на вертолете может использоваться либо рулевой винт, либо пара синхронизированных, вращающихся в разные стороны винтов. При использовании пары синхронизированных, вращающихся в разные стороны винтов, реактивные моменты взаимокомпенсируются,  при этом дополнительная мощность от двигателей не требуется. В случае же использования рулевого винта, то тяга рулевого винта создает момент относительно центра тяжести вертолета, этот момент уравновешивает возникающие реактивные моменты.

Каждый современный вертолет, за исключением лишь реактивных, должен иметь возможность, в случае выхода из строя его двигателей, безопасно приземлиться в режиме авторотации, то есть в режиме самовращения несущего винта под действием набегающего потока воздуха. Для этого почти все вертолеты, исключение составляют лишь реактивные, снабжены муфтой свободного хода, которая в случае необходимости разъединяет трансмиссию с несущим винтом вертолета. Посадка в режиме авторотации получается управляемой, но считается аварийным режимом.

                                             2,2 Автомат перекоса

Автомат перекоса – это механизм, управляющий несущим винтом вертолета. Он обеспечивает управление вертикальным перемещение вертолета, а также его наклоном по крену и тангажу, для этого он периодически изменяет угол установки каждой лопасти в зависимости от того, где лопасть находится в определенный момент времени в ходе вращения винта как целого.

         Тангаж – угловое движение летательного аппарата относительно горизонтальной оси инерции. В авиации различают положительный тангаж  (подъем носа) – кабрирование, и отрицательный  тангаж (опускание носа ) – пикирование.

  Рыскание – угловые движения летательного аппарата, относительно вертикальной оси, а также небольшие изменения курса вправо или влево.

Крен – боковой наклон летательного аппарата относительно горизонтальной плоскости.

           Рассмотрим  принцип действия автомата перекоса, каждая лопасть несущего винта, по сути, представляет собой небольшое крыло, создающее подъемную силу за счет действия набегающего потока воздуха. При этом действующая на лопасть подъемная сила зависит от ряда факторов, в том числе от скорости движения лопасти относительно воздуха и е установочного угла, то есть угла между хордой лопастью и плоскостью вращения винта. Чем больше этот угол, тем большую подъемную силу будет создавать лопасть.

  Наклон вертолета вперед или назад (по тангажу) или вбок (по крену), достигается путем создания разницы подъемных сил, развиваемых лопастями несущего винта в зависимости от того, где лопасть находится в каждый момент времени. Например, для того чтобы вертолет наклонился вперед лопасти несущего винта увеличивают свой установочный угол, проходя над задней частью вертолета. И соответственно, уменьшают, проходя над передней частью. Это приводит к созданию разницы подъемных сил, развиваемых лопастями несущего винта. Их разность создает момент заставляющий вертолет наклоняться вперед.

2,3 Силовая установка

Силовая установка вертолета – это его двигатели.  Двигатели на вертолете служат для привидения в движения несущего и рулевого винтов, а также других вспомогательных узлов вертолета. Рассмотрим подробно три вида двигателей, которые могут устанавливаться на вертолетах:

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

Поршневой ДВС – это двигатель, в котором энергия расширяющихся газов, полученная в результате сгорания топлива в замкнутом пространстве, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня. Поступательное движение поршня преобразуется во вращения коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Кривошипно - шатунный механизм – это механизм, предназначенный для  преобразования возвратно – поступательного движения поршня во вращательное движение.

     Рассмотрим принцип действия поршневого ДВС. В цилиндр вводится горю­чая смесь из воздуха и парообразного или газообразного топлива (или раздельно воздух и позже мелко распыленное жидкое топливо); затем эта смесь сжимается поршнем и в конце сжатия воспламе­няется. Образовавшиеся газообразные продукты сгорания, имея высокую температуру, вызывают повышение давления в цилиндре. Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается, пере­давая движение на вал. После расширения продукты сгорания уда­ляются из цилиндра, который заполняется свежим зарядом. Затем все повторяется вновь.

Рабочий цикл четырехтактного поршневого ДВС состоит из четырех отдельных тактов:

впуск
сжатие
рабочий ход
выпуск

В качестве топлива в поршневом ДВС могут использоваться такие жидкости как: бензин, дизель, биодизель,  различные спирты и т.д. Газы – сжиженный газ, природный газ, водород и т.д.

КПД поршневых ДВС обычно не превышает 60% остальная часть энергии расходуется в основном между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции  двигателя, так как доля последней весьма существенна, то поршневые ДВС нуждаются в системах интенсивного охлаждения. Различают системы интенсивного охлаждения жидкостные и воздушные.

Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель – это вид теплового двигателя, в котором энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Но, в отличие от поршневого ДВС в газотурбинном двигатели процессы происходят в потоке движущегося газа.

 Принцип действия:

- всасывание и сжатие воздуха в компрессоре;

-  подача его в камеру сгорания;

- смешение сжатого воздуха с топливом для образования топливовоздушной смеси;

- воспламенение топливовоздушной смеси с помощью свечи зажигания;

- расширение газов при сгорании топливно-воздушной смеси, что формирует вектор давления газа, направленный в сторону меньшего сопротивления, то есть в направлении лопаток турбины;

- передача давления газа лопатками турбины на диск или вал в котором эти лопатки закреплены, приводя во вращение диск или вал турбины, а следовательно и передачу крутящего момента по валу на диск компрессора.

В качестве горючего в газотурбинном двигателе может использоваться любое топливо, которое можно диспергировать.

Диспергирование – это тонкое измельчение твердых тел и жидкостей в процессе, которого происходит их механическое разрушение.

Таковым топливом может являться керосин, бензин, дизель, мазут, природный газ и другие.

Реактивные двигатели

Реактивный двигатель – это двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Главное отличие реактивных двигателей от поршневых заключается в том, что в реактивном двигателе энергия сгораемого топлива расходуется на создание силы тяги непосредственно, за счет отбрасывания назад, с большой скоростью воздуха и продуктов сгорания. А в поршневом двигателе энергия сгораемого топлива расходуется на вращение воздушного винта, который уже создает необходимую для движения тягу.

Исходя из этого, можно заключить, что самым простым способом привидения во вращение несущего винта вертолета, с помощью реактивных двигателей, является установка этих двигателей на концах лопастей самого несущего винта.

Реактивный привод несущего винта имеет много преимуществ по сравнению с приводом от поршневых двигателей. При установке реактивных двигателей на концах лопастей несущего винта совершенно не требуется трансмиссии. Для такого вертолета рулевой винт нужен только для путевого управления. Так как отсутствуют реактивные моменты, возникающие при вращении несущего винта. Они отсутствуют, потому что привод несущего винта расположен на самом винте. Следовательно, рулевой винт будет потреблять меньше мощности, так как диаметр его будет малым. В целом же, вес вертолета уменьшится примерно на 30%.

Но наряду с этим реактивному приводу свойственен ряд недостатков. Основным из таковых является малый КПД у реактивных двигателей, это увеличивает расход топлива. Кроме того реактивный привод несущего винта вертолета трудно осуществить, так как необходимо удовлетворить целому ряду противоречивых требований:

В случае установки реактивного двигателя на конце лопасти несущего винта, изменения установочного угла приведет к изменению направления силы тяги двигателя. Так, например, в случае увеличении установочного угла лопасти, тяга двигателя уже не будет лежать в плоскости вращения. А составит с ней некоторый угол. Благодаря чему тяга двигателя даст две составляющие: в плоскости вращения винта, которая будет создавать крутящие моменты, и вдоль оси вращения винта, которая уже пойдет непосредственно на изменение тяги двигателя.

Величина этих двух составляющих тяги двигателя в течении одного оборота будет постоянно изменяться, это приведет к появлению значительной вибрации вертолета. Для устранения этого недостатка необходимо крепить двигатель на штанге или трубе. Вокруг которой уже располагать подвижную лопасть. Таким образом, чтобы изменение установочного угла лопасти происходило вокруг этой штанги или трубы без отклонения оси двигателя.

Однако это еще далеко не все трудности. В конце концов, каким бы легким не был реактивный двигатель, он является сосредоточенной нагрузкой на конце лопасти и в значительной мере увеличивает центробежную силу, стремящуюся разорвать лопасть.

Центробежная сила - фиктивная сила, возникающая во вращающихся системах отсчёта и направленная от центра вращения. Одна из многих фиктивных сил инерции.

2,4   Трансмиссия

Трансмиссия – это специальный механизм, предназначенный для  передачи крутящего момента от двигателей к несущему и рулевому винтам, а также другим вспомогательным узлам вертолета. Схема трансмиссии определяется схемой вертолетов, числом и расположением его двигателей.

2.5 Фюзеляж

Фюзеляж предназначен для размещения экипажа, груза, пассажиров и т.д. К фюзеляжу крепятся шасси, узлы крепления двигателей и пр.

2.6 Оперение

Оперение предназначено для обеспечения устойчивости и управляемости вертолета. Оно подразделяется на горизонтальное – стабилизатор, и вертикальное – киль.

2.7 Вертолетно – посадочные устройства

Вертолетно-посадочные устройства служат для стоянки вертолета, передвижению его по земле, а также гашения энергии удара при посадке. Они могут быть выполнены в виде колесного, полозкового шасси или поплавков (жестких или надувных).

2.8 Рулевой винт

Рулевой винт – это воздушный винт, предназначенный для компенсации реактивных моментов, а также для управления по курсу (рыскание).  Привод вращения рулевого винта осуществляется посредством карданных валов от редуктора несущего винта к редуктору рулевого винта, через промежуточный редуктор; управление шагом винта осуществляется педалями в кабине лётчика.

Если рулевой винт выполнен в виде вентилятора, встроенного в вертикальное хвостовое оперение, то его называют фенестроном.

С точки зрения живучести, отказ рулевого винта или повреждение трансмиссии часто приводит к неуправляемому падению вертолёта.

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ВЕРТОЛЕТА

Роль вертолета в современном мире очень важна. Приведем некоторые примеры использования вертолетной техники: грузовые и пассажирские перевозки в труднодоступные районы можно осуществить только с помощью вертолетов; на вертолете легко обнаружить крупные косяки промысловой рыбы, что очень помогает рыбацким суднам; в случае лесных пожаров вертолеты помогают тушить огонь; с борта вертолета очень удобно делать фотоснимки и вести видеосъемку местности. Срочно доставить пострадавших в больницу помогают также вертолеты, а в некоторых случаях вертолеты вместо подъемных кранов помогают прокладывать трубопроводы и перемещать массивные груза на масштабных стройплощадках, для этих целей применяют специальные многоцелевые вертолеты, использование которых экономически выгодно. Существуют и отдельные виды аппаратов, как например, разведывательные вертолеты, грузовые, военные пассажирские и т.д.

Подведем итог - сравним вертолетную технику с самолетной.

Главным преимуществом вертолетов является их способность совершать взлет и посадку по горизонтали, вертолеты могут совершить посадку на любой ровной площадке размером в полтора диаметра его несущего винта; также стоит отметить их маневренность: вертолеты способны «висеть» в воздухе и даже могут лететь «задом наперед». Кроме того, вертолёты могут перевозить груз на внешней подвеске, что позволяет транспортировать очень громоздкие грузы, а также выполнять монтажные работы.

Основным же недостатком присущим винтокрылой технике по сравнению с самолетной, является меньшая максимальная скорость полета и больший расход  топлива, что приводит к повышению стоимости полета. К недостаткам можно отнести и сложность в управлении. У вертолётов с реактивным приводом несущего винта резко усложняется посадка на авторотации (при отключении двигателей большое лобовое сопротивление гондол двигателей быстро тормозит несущий винт), также высокий шум и большая заметность (от факелов двигателей) и крайне высокий и неэффективный расход топлива.

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе моей историко-исследовательской работы я изучила историю вертолетостроения, ее конструкцию, познакомилась с  особенностями, попробовала наглядно показать   значение вертолетов в современной жизни. В конце моей работы я подвела итоги, в которых выяснила, что вертолеты играют большую роль в нашей жизни, они являются настоящими тружениками  и незаменимыми помощниками. Некоторые сферы деятельности человека невозможны  без применения вертолетной техники. На сегодняшний день отрасль вертолетостроения является одной из самых востребованных в мире.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Барсуков В. Н. Крылом к крылу 
Голубева-Терес О. Т. Страницы из летной книжки 
Жовинский Н. Е. Силовые авиационные установки. 

Полозов Н. П., Сорокин М. А. Воздухоплавание