Как вертолет вращается автоматически? Сила давления воздуха на все лопасти уравнялась бы. Не так ли?

Вы упускаете одну существенную деталь: угол наклона лопастей винта вертолета можно изменить. Это называется коллективным шагом .

При сбое питания пилот меняет угол лопасти таким образом, чтобы направление вращения сохранялось, но теперь ротор извлекает энергию из восходящего воздушного потока, а не толкает воздух вниз. Обратите внимание, что лопасти по-прежнему будут создавать подъемную силу, но из-за того, что поток в них имеет восходящую составляющую, подъемная сила на лопастях наклонена вперед, так что горизонтальная составляющая поддерживает вращение лопастей. Теперь вертолет летит почти как планер, постоянно меняя высоту на скорость вперед и скорость несущего винта. Это одинаково для всех лопастей, и каждая лопасть будет тянуть ротор вперед.

Ближе к земле пилот теперь потянет рычаг общего шага и на мгновение увеличит подъемную силу лопастей. Это динамичный маневр, и он должен быть хорошо скоординирован. Теперь подъемная сила увеличивается, но вектор подъемной силы на каждой лопасти будет направлен немного назад, поэтому ротор вращается вниз. Теперь пилот обменивает накопленную энергию вращения несущего винта на увеличение подъемной силы, чтобы снизить скорость снижения и совершить мягкую посадку. Это требует минимальной инерции ротора , чтобы иметь достаточно энергии для торможения.

Я буду краток и лаконичен, потому что лучший ответ, который вы можете получить, — это посмотреть видео Smarter Every Day о том, как работает авторотация . Это 9 минут, с отличными визуальными эффектами, помогающими объяснить процесс, и намного лучше, чем любой текстовый ответ.

Для тех, кто не хочет нажимать на ссылку, одним из основных факторов авторотации является линейная скорость воздуха на лопастях. На самом деле воздух проходит быстрее через части лопасти дальше от центра. Пилоты вертолетов могут использовать этот прием для создания силы при падении. Внутренние части могут толкаться воздухом (потому что внутренние части лопасти движутся медленно), в то время как внешние части на самом деле толкают воздух, как будто двигатель все еще работает!

Пилот фактически регулирует шаг лопастей, чтобы сбалансировать эти эффекты, чтобы снижаться медленно, сохраняя при этом немного дополнительной запасной энергии, чтобы использовать ее ближе к концу для безопасной посадки.

Это хороший вопрос. Дело в том, что авторотация работает не очень хорошо, если рассматривать ее с точки зрения вертикального полета - это не совсем ветряк. Лучшим примером для объяснения принципа авторотации является автожир: он всегда летит на авторотации, но никогда вертикально. Или, по крайней мере, никогда не очень успешно и надолго. Из «Принципов аэродинамики вертолета» Дж. Гордона Лейшмана:

Рисунок иллюстрирует довольно важную проблему: он идентифицирует подъемную силу и силы сопротивления при полете вперед. Если бы автожир или вертолет опускались вертикально, ротор создавал бы только сопротивление, поскольку сопротивление определяется как сила, направленная в направлении воздушной скорости. Повышенное сопротивление, как у парашюта. Ротор будет действовать как частично проницаемый неподвижный диск. Это не очень хорошо помогло бы остановить падение автожира или вертолета.

Гораздо эффективнее, если ротор ведет себя как крыло: поступательный полет создает подъемную силу, а сопротивление преодолевается винтом или за счет поглощения энергии от уменьшения потенциальной энергии. Другими словами, если он ведет себя как планер. Планеры также не очень успешно планируют в вертикальном направлении... или при больших углах атаки, что и указано на вашем рисунке под углом 45º. Лопасти несущего винта — это крылья, но, к сожалению, со сложной динамикой — пожалуйста, подождите.

При авторотации у нас есть вращающиеся лопасти, одна идет вперед, другая назад. Лопасть, идущая вперед, испытывает встречный ветер, лопасть, идущая назад, — попутный. Ротор приводится в движение за счет разницы в сопротивлении, и если передняя лопасть испытывает меньшее сопротивление, чем задняя лопасть, ротор приводится в движение силой ветра - он никогда не меняет направление вращения. Звучит нелогично, но именно так и происходит.

Когда первый автожир был подвергнут летным испытаниям (задолго до первого вертолета, в начале 1920-х годов), он начал катиться, когда скорость движения увеличилась, потому что лопасти, движущиеся вперед, имеют более высокую относительную скорость ветра и, следовательно, большую подъемную силу. Первый успешный полет C4 в 1923 году исправил это, введя взмах лопастей, действительно блестящую конструкцию. Из Википедии :

Диссимметрии противодействует «махание лопастями»: лопасти несущего винта спроектированы так, чтобы махать - подниматься и скручиваться таким образом, что продвигающаяся лопасть машет вверх и развивает меньший угол атаки, тем самым создавая меньшую подъемную силу, чем жесткая лопасть. И наоборот, отступающая лопасть машет крыльями вниз, развивает больший угол атаки и создает большую подъемную силу.

Одно и то же взмахивание лопасти создает крутящий момент несущего винта за счет разницы в сопротивлении между лопастями, обращенными вперед и назад. Но это происходит только тогда, когда коллектив полностью разрушен. Коллективная полетная рукоятка задает угол атаки всех лопастей одновременно, и первое, что нужно сделать пилоту при остановке двигателя — это опустить коллективную. В противном случае сопротивление движущейся вперед лопасти будет больше, чем обратной, и ротор перестанет вращаться.

Так что авторотация эффективно работает только с прямой скоростью. В последнем отрезке, непосредственно перед посадкой, пилот уходит почти вертикально: поднимает коллектив, обменивая энергию вращения лопастей на потерю кинетической энергии, и совершает красивую мягкую посадку.

Ваша картинка хороша, пока она идет, но...

Если у несущего винта вертолета 2 или 4 лопасти, теперь нарисуйте рисунок для лопасти, противоположной первой. Наклон этого лезвия в другом направлении, поэтому вместо того, чтобы «отталкиваться назад», его «толкают вперед». Комбинация двух «толчков» заставляет ротор вращаться.

Точно так же работает ветряная турбина или любой другой вентилятор.

Это точно так же, как когда самолет скользит, за исключением того, что «крылья» ходят по кругу.

Будучи студентом-пилотом самолета, вы практикуете это много раз. Инструктор переключает мощность на холостой ход и говорит: «У вас только что заглох двигатель…» Первое, что вы делаете, — опускаете нос, так что вы находитесь в нисходящем скольжении. Поскольку вы идете вниз, вы набираете скорость, и это заставляет вас лететь. Вы подстраиваетесь под скорость, обеспечивающую наибольшую дальность планирования, и ищете место для посадки.

В вертолете вы делаете это, наклоняя лопасти вниз (с помощью общего рычага). Это заставляет их планировать, что дает им скорость, которая поддерживает подъемную силу, так что вы можете искать место для приземления.