Винт самолета: название, классификация и характеристика

Основой передвижения по воздуху на принципах аэродинамики является наличие силы, противодействующей сопротивлению воздуха в полете и силе тяжести. На всех современных летательных аппаратах, за исключение планеров, имеется двигатель, мощность которого преобразуется в эту силу. Механизмом, преобразующим вращение вала силовой установки в тягу, является воздушный винт самолета.

Описание воздушного винта

Воздушный винт самолета представляет собой механическое устройство с лопастями, вращаемое валом двигателя и создающее тягу для движения летательного аппарата в воздухе. За счет наклона лопастей винт отбрасывает воздух назад, создавая область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Практически все люди на земле хотя бы раз в жизни имели возможность увидеть этот устройство, поэтому многочисленные наукообразные определения не требуются. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем через специальный фланец, балансировочных грузиков, размещаемых на втулке, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.

Другие названия

Как еще называется винт самолета? Исторически сложились два основных названия: собственно воздушный винт и пропеллер. Однако в дальнейшем появились другие названия, подчеркивающие либо особенности конструкции, либо дополнительные функции, возлагаемые на этот агрегат. В частности:

• Фенестрон. Винт, вставляемый в специальный канал в хвост вертолета.
• Импеллер. Винт, заключенный в специальное кольцо.
• Винтовентилятор. Это стреловидные, или саблевидные винты в два ряда с уменьшенным диаметром.
• Ветровентилятор. Аварийная система резервного обеспечения электроэнергией от набегающего воздушного потока.
• Ротор. Так иногда называют несущий винт вертолета и некоторые другие.

Теория винта

По своей сути любой винт самолета представляет собой некие подвижные крылья в миниатюре, живущие по тем же законам аэродинамике, что и крыло. То есть, передвигаясь в атмосферной среде лопасти, благодаря своему профилю и наклону, создают поток воздуха, который является движущей силой летательного аппарата. Сила этого потока, помимо конкретного профиля, зависит от диаметра и частоты оборотов винта. При этом зависимость тяги от оборотов – квадратичная, а от диаметра – даже в 4-й степени. Общая формула тяги выглядит следующим образом: P = α * ρ * n^{2 *} D⁴ , где:

• α – коэффициент тяги винта (зависит от конструкции и профиля лопастей);
• ρ - плотность воздуха;
• n – число оборотов винта;
• D – диаметр винта.

Интересно сравнить с приведенной формулой, еще одну, выведенную из той же теории винта. Это потребная мощность для обеспечения вращения: T = Β * ρ * n³ * D⁵ , где Β – расчетный коэффициент мощности винта.

Из сопоставления этих двух формул видно, что, усиливая обороты винта самолета и увеличивая диаметр пропеллера, потребная мощность двигателя растет экспоненциально. Если уровень тяги пропорционален квадрату оборотов и 4-й степени диаметра, то потребная мощность двигателя растет уже пропорционально кубу оборотов и 5-й степени диаметра винта. С ростом мощности двигателя растет и его вес, что требует еще большей тяги. Очередной заколдованный круг в авиастроении.

Характеристики воздушных винтов

Любой винт, установленный на самолете, имеет набор характеристик, приведенных ниже:

• Диаметр винта.
• Геометрический ход (шаг). Под этим термином подразумевается расстояние, которое прошел бы винт, врезаясь в теоретическую твердую поверхность за один оборот.
• Поступь – фактическое расстояние, проходимое винтом за один оборот. Очевидно, что эта величина зависит от скорости и от частоты вращения.
• Угол установки лопастей – угол между плоскостью и фактическим наклоном винта.
• Форма лопастей – большинство современных лопастей имеет саблеобразную, изогнутую форму.
• Профиль лопастей – сечение каждой лопасти имеет, как правило, крыльевую форму.
• Средняя хорда лопасти – геометрическое расстояние между передней и задней кромками.

При этом главной характеристикой воздушного винта самолета остается его тяга, то есть то, ради чего он вообще нужен.

Достоинства

Летательные аппараты, использующие в качестве движителя воздушный винт, гораздо экономичней своих турбореактивных «собратьев». Коэффициент полезного действия достигает 86%, что является недостижимой величиной для реактивной авиации. Это их главное преимущество, которое фактически вновь ввело их в строй во время нефтяного кризиса 70-х годов прошлого века. На небольших дистанциях полета, скорость не имеет решающего значения по сравнению с экономичностью, поэтому большинство самолетов региональной авиации – винтовые.

Недостатки

Недостатки у самолета с воздушным винтом тоже имеются. В первую очередь, это минусы чисто «кинетические». Во время вращения винт самолета, обладая собственной массой, оказывает воздействие на корпус самолета. Если лопасти, например, вращаются по часовой стрелке, то корпус стремится вращаться, соответственно, против часовой стрелки. Создаваемые пропеллером завихрения активно взаимодействуют с крыльями и оперением летательного аппарата, создавая различные потоки справа и слева, тем самым дестабилизируя траекторию полета.

И наконец, вращающий пропеллер представляет собой своеобразный гироскоп, то есть он стремится сохранить свое положение, что затрудняет процесс изменения траектории полета для воздушного суда. Эти недостатки винта самолета были известны давно, и конструкторы научились с ними бороться путем внесения определенной асимметричности в конструкции самих кораблей или их управляющих поверхностей (рулей направления, спойлеров и т. д.). Справедливости ради надо отметить, что подобными «кинетическими» недостатками обладают и реактивные двигатели, но в несколько меньшей степени.

К минусам можно отнести и так называемый эффект запирания, когда увеличение диаметра и частоты вращения винта самолета до определенных пределов, перестают давать эффект в виде увеличения тяги. Этот эффект связан с появлением на отдельных участках лопастей потоков воздуха около- или сверхзвуковой скорости, что создает волновой кризис, то есть образование скачков уплотнения воздушной среды. По сути, они преодолевают звуковой рубеж. В связи с этим максимальная скорость самолетов с воздушным винтом не превышает 650-700 км/час.

Пожалуй, единственным исключением стал бомбардировщик Ту-95, развивающий скорость до 950 км/час, то есть почти звуковую скорость. Каждый его двигатель оснащен двумя соосными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Ну и последней проблемой винтовых самолетов является их шумность, требования к которой со стороны авиационных властей, постоянно ужесточаются.

Классификация

Существует много вариантов классификации воздушных винтов самолета. Они подразделяются на группы в зависимости от материала, из которого они изготовлены, от формы лопастей, их диаметра, количества, а также по ряду других характеристик. Однако наиболее важной является их классификация по двум признакам:

• Первый — винты бывают с изменяемым шагом и фиксированным шагом.
• Второй – винты бывают тянущие и толкающие.

Первый устанавливается в передней части самолета, а второй, соответственно, в задней его части. Самолет с толкающим винтом возник раньше, однако затем был на некоторое время предан забвению и лишь относительно недавно вновь появился в небе. Сейчас эта компоновка широко применяется на небольших летательных аппаратах. Имеются даже совсем экзотические варианты, оснащенные и тянущими и толкающими лопастями одновременно. Самолет с винтом сзади имеет ряд преимуществ, главным из которых является его более высокое аэродинамическое качество. Однако из-за отсутствия дополнительного обдува крыла потоком воздуха от пропеллера у него худшие взлетно-посадочные характеристики.

Винты с изменяемым шагом

Практически на всех современных средних и крупных самолетах устанавливаются винты с изменяемым шагом. При большом шаге лопастей достигается большая тяга, но если обороты двигателя довольно низкие, набор скорости будет производиться крайне медленно. Это очень похоже на ситуацию с автомобилем, когда на высших передачах пытаться тронуться с места.

Высокая скорость и маленький шаг винта создают опасность срыва потока и падения тяги до ноля. Поэтому в процессе полета шаг постоянно изменяется. Сейчас это делает автоматика, а раньше пилот сам должен был постоянно следить за этим и вручную корректировать угол наклона. Механизм изменения шага винта представляет собой специальные втулки с приводным механизмом, поворачивающие лопасти относительно оси вращения на требуемый градус.

Современная разработка в России

Работы над совершенствованием устройств никогда не прекращались. В настоящее время проводятся испытания нового воздушного винта самолета АВ-112. Он будет применяться на легком военно-транспортном самолете Ил-112В. Это 6-лопастной пропеллер, с коэффициентом полезного действия 87 %, диаметром 3,9 метра и частотой вращения 1200 оборотов в минуту и изменяемым шагом винта. Разработан новый профиль лопастей и облегчена его конструкция.