Тема 7. Вертолет. Модели вертолетов

Цель. Дать кружковцам первоначальные сведения о работе воздушного винта, создании им силы тяги; ознакомить их с историей возникновения и применения вертолета. Изготовить простейшую модель вертолета - "муху", наиболее подготовленным кружковцам построить модели вертолета "Белка" и "Бабочка".

Методические рекомендации. На эту тему целесообразно отвести четыре занятия. Перед изучением данного материала руководитель напоминает кружковцам о необходимости соблюдать правила безопасной работы с инструментом и оборудованием.

В начале первого занятия руководитель рассказывает о принципах работы воздушного винта. Используя схемы, наглядные пособия, демонстрируя воздушные винты разных авиационных моделей, он объясняет, как влияют диаметр, шаг и частота вращения винта на силу тяги.

Затем, используя заранее подготовленные шаблоны, заготовки, приступают к изготовлению простейшей модели вертолета - "мухи", обращая особое внимание на соблюдение последовательности операций и качество выполнения винта. Продолжают эту работу и на втором занятии. Завершают его запусками (соревнованиями) простейших моделей вертолета.

Третье занятие начинают с рассказа о создании, основных элементах конструкции вертолетов, их практическом применении. После этого приступают к изготовлению моделей вертолета "Белка" или "Бабочка". Заканчивают работу на четвертом занятии.

На теоретической части занятий рекомендуется сообщить кружковцам следующие сведения.

Лопастной воздушный винт, приводимый во вращение двигателем, создает силу тяги, необходимую для движения или поддержания в воздухе летательного аппарата.

Различают тянущий, толкающий, соосные винты, винты неизменяемого и изменяемого шага, реверсивный и флюгерный. Тянущий винт устанавливается на летательном аппарате впереди двигателя, толкающий винт - позади двигателя.

Соосные - два винта, помещенные один за другим или друг над другом на соосных валах и вращаемые в противоположные стороны. Такие винты позволяют при относительно малом диаметре снимать большую мощность с двигателя и уравновешивать реактивные моменты.

У винта неизменяемого шага (ВНШ) лопасти выполнены заодно со втулкой; у винта изменяемого шага (ВИШ) лопасти могут поворачиваться в полете с помощью специального устройства или автоматически.

Лопасти реверсивного винта в полете можно устанавливать под отрицательным углом, чтобы получить тормозящую силу. Флюгерный винт при остановке позволяет устанавливать лопасти по потоку для уменьшения сопротивления.

Различают несущий и рулевой винты вертолетов. Несущий винт (ротор) поддерживает и перемещает вертолет в воздухе. Рулевой винт (обычно хвостовой) - вспомогательный, он уравновешивает реактивный момент несущего винта и используется для управления вертолетом в горизонтальной плоскости.

На авиамоделях воздушный винт приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания или резиновым двигателем.

Лопасти вращающегося винта набегают на воздух под некоторым углом атаки и отбрасывают его назад, а сами, как бы отталкиваясь от воздуха, стремятся двигаться вперед. Таким образом возникает сила, направленная вдоль оси вращения, называемая силой тяги.

Сила тяги винта зависит от его частоты вращения, диаметра и шага.

Шаг винта - расстояние, проходимое винтом за один оборот, если бы воздух был твердым телом. Винты с большим углом установки лопастей называют винтами большого шага, а с малым углом установки - винтами малого шага.

Шаг Н винта можно вычислить по формуле

 H = 2πR tgα, 

 где R - радиус винта; 
    α - угол установки лопасти.

Вертолет (геликоптер) - летательный аппарат тяжелее воздуха, в котором подъемная сила создается при помощи вращающихся от двигателей воздушных винтов, из которых по крайней мере один несущий.

Изобретателем вертолета можно считать великого русского ученого М. В. Ломоносова. Он первый обосновал и практически подтвердил идею создания летательного аппарата, поднимающегося в воздух, используя энергию воздушного винта. В 1754 г. М. В. Ломоносов демонстрировал полет модели своего аппарата. Два четырехлопастных винта, вращаемых часовыми пружинами в разные стороны, создавали подъемную силу этой модели. Следует отметить, что современные вертолеты с соосными винтами в принципе не отличаются от "аэродромической машины" М. В. Ломоносова.

В 1768 г. англичанин Пенктон выпустил книгу "Теория винта Архимеда", в которой писал о винтокрылом аппарате, названном им птероформом и имеющем два винта^*. В 1784 г. французы Лонуа и Бьенвеню построили геликоптер-игрушку (модель), который поднимался в воздух с помощью четырехлопастного винта, приводимого в движение тетивой от лука.

^* (См.: Арлазоров М. С. Винт и крыло. М., 1980, с. 14.)

Однако попытки поднять в воздух человека на подобных аппаратах в то время были безуспешны. Техника не располагала достаточно мощным и легким двигателем. И лишь в начале XX в. впервые появились настоящие вертолеты. На второй Международной воздухоплавательной выставке в Москве (1912 г.) золотой медали был удостоен Б. Н. Юрьев (впоследствии академик). Он представил научно обоснованный проект вертолета и изготовил его.

Сейчас вертолеты можно встретить повсюду: в суровой Арктике, в знойной пустыне, в сибирской тайге и в тундре. Вертолет незаменим там, где невозможно использовать самолет, ведь для взлета и посадки ему достаточно малой площади, например крыши здания, палубы корабля и даже платформы грузового автомобиля.

Вертолеты применяют для перевозки людей в труднодоступных районах, для ледовой разведки, для тушения лесных пожаров, в сельском хозяйстве, на службе ГАИ и т. д. С каждым годом возрастает роль вертолетов в народном хозяйстве. Вертолеты Ми-1, Ми-4, Ми-6, Ми-10, Ка-26, Ка-32 известны не только в нашей стране, но и за рубежом.

Современные вертолеты строят по различным конструктивным схемам: одновинтовые с рулевым винтом, двухвинтовые соосные, реактивные и т. д.

Фюзеляж вертолета отличается от фюзеляжа самолета: передняя часть - широкая, хвостовая - продолговатая, в виде балки, конец которой загнут вверх (например, у вертолетов М. Миля). В фюзеляже размещены двигатель, механизмы передачи движения на несущий винт (трансмиссия), кабина экипажа и места для пассажиров и груза.

Вертолеты имеют в основном трехстоечное шасси.

Лопасти несущего винта (ротора) приводятся во вращение двигателем, коленчатый вал которого соединен через шестеренную передачу со втулкой винта.

Основная особенность несущего винта вертолета - изменение углов наклона его лопастей в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Эти функции выполняет автомат перекоса, изобретенный Б. Н. Юрьевым и применяемый на всех современных вертолетах. Автомат перекоса позволяет изменять плоскость вращения и угол наклона несущего винта. Изменяя силу тяги и ее направление, можно заставить вертолет подниматься или опускаться, лететь горизонтально, неподвижно зависать в воздухе.

Основы теории полета очень трудны для понимания кружковцев, но для получения некоторого представления об управлении вертолетом необходимо объяснить им следующее. Для набора высоты двигатель "выводят" на наибольшую частоту вращения, а лопасти устанавливают на максимальный угол. В этом случае сила тяги винта превышает вес вертолета.

Чтобы вертолет висел неподвижно в воздухе, необходимо силу тяги винта сделать равной весу машины. Это достигают подбором угла установки лопастей и частоты их вращения.

Для горизонтального полета ось вращения лопастей "наклоняют" в сторону движения.

Ротор вертолета обладает еще одной интересной особенностью: при остановленном в полете двигателе винт продолжает вращаться от набегающего потока воздуха. В этом случае ротор работает на режиме самовращения - авторотации. Благодаря этому несущий винт создает силу тяги, достаточную для плавного, безопасного спуска вертолета.

Простейший вертолет "муха". Простейший вертолет состоит из воздушного винта, насаженного на стержень (рис. 16, а). Предлагается такая последовательность изготовления воздушного винта. Из мягкой древесины (липа, ольха) выстругивают прямоугольный брусок размером 180 X 23 X 10 мм. На широкой его стороне проводят две взаимно перпендикулярные осевые линии. В точке их пересечения сверлят отверстие диаметром 5 мм. Сверху накладывают шаблон винта и обводят карандашом (сначала одну лопасть, потом, повернув шаблон на 180°, другую). Затем ножом срезают участки бруска, выходящие за пределы очерченной линии. Зажав брусок в тиски, обрабатывают его напильником.

Рис. 16. Летающий винт — простейший вертолет 'муха': а — лопасть винта; б — порядок изготовления; в — запуск

После этого рисуют вид сбоку. Отступив от центра 30 м и отметив на концах от верхней плоскости толщину 2 мм, соединяют эти точки. Участки, выходящие за пределы этих линий, срезают и изготовляют лопасти винта. Изготовление лопастей очень ответственная работа. Они должны быть тонкими, в симметричных сечениях иметь одинаковый наклон, одну и ту же форму, одинаковую закрутку. Масса лопастей должна быть одинаковой. Этого достигают тщательной обработкой, лучше в 3-4 этапа.

На первом этапе ножом грубо обрабатывают обе лопасти, затем уменьшают их толщину напильником, одновременно придавая правильную форму. Второй этап - доводка формы и толщины лопастей крупнозернистой шлифовальной шкуркой. Чтобы получить лопасти одинаковой массы, винт надевают на тонкую проволоку и добиваются его уравновешивания во всех положениях. Третий этап - тщательное шлифование лопастей мелкозернистой шкуркой.

После изготовления лопастей выстругивают стержень диаметром 5 мм, немного заостряют один конец и вставляют в отверстие винта. Стержень должен входить туго и иметь такую длину, чтобы "муху" было удобно держать в руках при запуске. Обычно длина стержня в 1,5 раза больше диаметра винта.

При запуске стержню придают вертикальное положение и, зажав его между ладонями, заставляют винт быстро вращаться; затем разжимают ладони. "Муха" под действием подъемной силы ротора стремительно взвивается. Правда, энергия вращения скоро иссякает: остановившийся винт уже не создает подъемной силы, и "муха", взлетев на 10-15 м, опускается на землю.

Если в момент запуска "наклонять" ось вращения, можно заставить "муху" лететь в нужном направлении.

Модель вертолета "Белка" (рис. 17). Эта модель летает так же, как и настоящий вертолет, который имеет два соосных несущих ротора. Нижние лопасти закрепляют на раме (фюзеляже), изготовленной из двух липовых пластин 7 размером 220 X 10 X 1 мм и верхней 4 и нижней 9 бобышек.

Рис. 17. Модель вертолета 'Белка' (а) и шаблон лопасти (б): 1 - лопасть; 2 - ступица ротора; 3 - шайба; 4 - верхняя бобышка; 5 - вал винта (ротора); 6 - брусочки; 7 - боковые пластины; в - кронштейн; 9 - нижняя бобышка; 10 - крючок для крепления резинового двигателя

Лопасти 1 выполняют из плотной чертежной бумаги. Две лопасти вклеивают в ступицу 2 верхнего ротора, а две другие - посредством кронштейнов 8 крепят к раме. Крючок 10 и вал 5 изготовляют из стальной проволоки диаметром 0,5 мм. Для уменьшения трения на вал надевают шайбу 3.

Резиновый двигатель состоит из 10-12 нитей резины сечением 1 X 1 мм. Вращая верхний ротор по ходу часовой стрелки, закручивают двигатель и пускают модель вверх.

Модель вертолета "Бабочка" (рис. 18). Хороший полет у этой модели будет при качественном изготовлении винта. Для него подбирают брусок древесины (липы, осины) размером 160 X 10 X 8 мм. В центре делают отверстие для вала винта. Затем накладывают на широкую сторону прямоугольника шаблон лопасти и обрисовывают вначале одну половину, потом другую. Ножом обрабатывают заготовку по контуру и сбоку. Держа заготовку в левой руке за одну половину, срезают углы другой. При этом необходимо, чтобы верхняя часть лопасти была выпуклой, а нижняя плоской или немного вогнутой. Чистовую обработку лопастей винта выполняют шлифовальной шкуркой. Лопасти обязательно балансируют. Готовый винт покрывают 3-4 раза нитролаком.

Рис. 18. Модель вертолета 'Бабочка': 1 - винт; 2 - крючок (проволока диаметром 0,5 мм, длиной 32 мм); 3 - шайбы; 4 - бобышка верхняя (ляпа); 5 - крыло; 6 - рейка; 7 - бобышка нижняя (липа); 8 - крючок (проволока диаметром 0,5 мм длиной около 20 мм

Из липы вырезают верхнюю и нижнюю бобышки. Рубанком выстругивают две рейки длиной 135 мм и сечением 3 X 3 мм и приклеивают их к бобышкам. Получается рамка - фюзеляж модели.

Из бамбука вырезают две рейки длиной 300 мм и сечением 3 X 1,5 мм и изгибают над пламенем свечи или спиртовки, придавая им нужную форму. В верхней части фюзеляжа их привязывают нитками с клеем к рейкам, в нижней закрепляют в бобышку. Получаются своеобразные крылья, которые склеивают папиросной бумагой.

Из стальной проволоки диаметром 0,5 мм сгибают два крючка. Один прикрепляют к нижней бобышке, другой, продев через верхнюю бобышку, к винту.

На крючки надевают резиновую нить - резиномотор. Число нитей подбирают опытным путем. Резиновую нить закручивают и пускают модель в полет. Можно раскрасить крылья вертолета, тогда он будет похож на бабочку.