Почему у вертолёта опускается нос при нажатии на циклик вперёд (на зависании)?

Я думаю, вас может смутить то, что делают петли. В показанном вами примере качающийся шарнир, который присутствует только в роторах с двумя лопастями, заставляет обе лопасти наклоняться, или «качаться», или качаться вместе. Оба лезвия не могут подняться или опуститься в обычном режиме. Шарнирная петля на самом деле вовсе не петля. Это подшипник в манжете лопасти, который позволяет изменять угол наклона лопасти, вызванный положением автомата перекоса, путем вращения лопасти внутри манжеты.

Рассмотрим вертолет, парящий в безветренной ситуации — просто потому, что добавление ветра излишне усложняет объяснение. Я также предполагаю, что ротор вращается против часовой стрелки. Просто измените объяснение для ротора по часовой стрелке.

Общий вектор тяги ротора вертикальный, перпендикулярный центральной оси диска. Он имеет нулевую горизонтальную составляющую, поэтому к вертолету не прилагается ни продольная, ни поперечная сила, и он остается в фиксированном положении.

Когда вы толкаете циклический вперед, шаг лопасти в крайнем левом положении увеличивается, увеличивая угол атаки и, следовательно, подъемную силу. Из-за прецессии лопасть поднимается сзади диска и опускается спереди, наклоняя весь диск вперед.

Общий вектор тяги остается перпендикулярным диску и, поскольку диск наклонен по отношению к фюзеляжу, теперь состоит из горизонтальной и вертикальной составляющих. Именно горизонтальная составляющая ускоряет вертолет в направлении наклона.

Таким образом, существует сила (подъемная сила), поднимающая заднюю часть диска и опускающая переднюю. Эта сила передается через жесткий приводной вал несущего винта и толкает нос вниз, а хвост тянет вверх. Другой способ представить это так: вы прикладываете силу к верхней части рычага, приводному валу, который находится выше центра тяжести и, следовательно, заставляет фюзеляж вращаться по тангажу. Вертолет будет продолжать ускоряться до тех пор, пока дополнительное сопротивление не сравняется с горизонтальной составляющей.

Вертолеты также используют горизонтальные стабилизаторы, которые создают подъемную силу, чтобы толкать хвост вниз с увеличением скорости полета, поэтому угол наклона носа вниз в крейсерском режиме уменьшается.

Таким образом, толкая стик вперед и удерживая его в каком-либо положении (при полете по ПВП вы выбираете скорость, принимая положение опущенного носа для той скорости, которая изучена на опыте и практике с последующим небольшим подравниванием для достижения желаемой скорости) приведет к тому, что нос снижать тангаж, а самолет разгоняться до тех пор, пока не будет достигнута заданная скорость.

По той же причине вас отбрасывает назад на сиденье, когда вы нажимаете на педаль газа в своей машине, но скорость еще не увеличилась значительно. Также известно как горизонтальное ускорение. Как только плоскость несущего винта наклоняется вперед, он применяет прямую тягу, которая создает прямое ускорение. Остальная часть транспортного средства висит под ротором, поэтому его инерционная масса задерживает его движение, заставляя его отклоняться назад. Угол представляет собой арктангенс горизонтального ускорения, деленного на вертикальное (т. е. сила тяжести, 9,8 м/с^2 или 32 фута/с^2).

В вопросе не упоминалось условие наведения, а должно было быть. На него частично отвечает:

• Ускорение вперед, которое действительно опускает нос вниз.
• Поступательная скорость, из-за которой нос опускается по мере увеличения скорости полета из-за аэродинамического сопротивления. Незначительный эффект при наведении.

Но есть гораздо более прямая причина наклона фюзеляжа в режиме зависания, которая чаще всего упускается из виду на дискуссионных панелях: момент шарнира несущего винта. Отклонение циклического механизма приводит к отклонению траектории кончика ротора из-за взмахов. Наклон фюзеляжа используется в качестве сигнала обратной связи для циклического ввода за счет смещения шарнира несущего винта.

На вращающиеся лопасти действуют центробежные силы, которые тянут втулку ротора в плоскости отклонения ротора. Как только плоскость несущего винта изменится в результате циклического ввода ручки управления, возникающий в результате шарнирный момент несущего винта соответственно изменит угол фюзеляжа, обеспечивая желаемый сигнал обратной связи.

Качающийся ротор, такой как на Bell 212 и R-22, не создает этот механический шарнирный момент ротора. В полете вертолет подвешен на своем роторе с центром тяжести под центром подъемной силы, если только ротор не может передать шарнирный момент на фюзеляж. При смещенном назад ЦТ и отсутствии смещения шарнира может произойти следующее:

Вертолет взлетел вертикально, носом вверх вперед, вводился циклический вперед. Если бы у несущего винта был смещен шарнир, фюзеляж наклонялся бы вперед, но с качающимся шарниром, как в вопросе, на втулку не действует центробежная сила, и положение фюзеляжа теперь зависит только от положения ЦТ. Верхний угол наклона носовой части израсходовал часть полезного наклона циклического джойстика вперед. Обзорность затруднена. Наклон фюзеляжа не обеспечивает прямой обратной связи циклического положения.

К счастью, есть аэродинамический шарнирный момент ротора, создаваемый аэродинамикой взмахов. Изображение взято из книги Рэймонда Праути «Характеристики, стабильность и управление вертолетом». Это показывает, что сначала ротор действует как гироскоп и остается в своей плоскости. Но оперение лопасти отнесено к древку, а угол атаки правого лезвия увеличен, левого лезвия уменьшен. Затем ротор будет колебаться, пока не окажется перпендикулярно валу. С качающимися несущими винтами существует косвенная аэродинамическая связь между фюзеляжем и валом несущего винта. Это дает те же сигналы, что и решение со смещением шарнира, но с меньшей скоростью.

Никаких причудливых рисунков, сопровождающих это, но...

Когда циклик толкается вперед, это то же самое, что толкать вперед ручку самолета. Нос опустится. В случае с вертолетом он опускается, потому что шаг основных лопастей изменяется только на части его дуги, что приводит к подъему задней части и прижатию передней части.

Одна вещь, которая отличает вертолет от самолета с неподвижным крылом, заключается в том, что он получает движение вперед за счет направления подъемной силы от диска несущего винта немного вперед, а не прямо вверх, как при чистом зависании. Таким образом, чтобы выйти из режима зависания, нужно опустить нос, чтобы получить движение вперед и ускорение, а также добавить мощность и общий шаг ротора (совокупный), чтобы компенсировать потерю чистой вертикальной подъемной силы из-за наклона вперед.

Вертолет движется вперед до тех пор, пока не наберет достаточную скорость, чтобы воздушный поток от поступательной скорости над вращающимся диском ротора создавал подъемную силу (вращающийся диск теперь действует как крыло), и вертолет входит в так называемый режим полета вперед — теперь он летит в манера похожа на самолет с неподвижным крылом. Для удержания вертолета в прямом полете требуется гораздо меньше энергии, чем в режиме зависания, потому что воздушный поток прямого полета над диском несущего винта создает подъемную силу, а не использует тягу несущего винта (полностью приводимую в действие двигателем) для создания всей подъемной силы.

Тем не менее, птица по-прежнему зависит от подъемной силы вперед от диска несущего винта, чтобы получить движение вперед, а не прямое движение вперед через пропеллер, как в самолетах с неподвижным крылом. Таким образом, в прямом полете диск несущего винта слегка наклонен вперед, чтобы обеспечить движение.