Новости всё Наука - iCity.life Нижний Тагил

Винт, или пропеллер — распространенный движитель, который применяется не только в самолетах, но и других видах транспорта, таких как вертолеты, корабли и даже подводные лодки. Несмотря на появление реактивных двигателей, от винтов в авиации не отказались по сей день, что и не удивительно. Такая силовая установка достаточно простая и недорогая в изготовлении, при этом ее КПД достигает 82—86%. Но задумывались ли вы когда-нибудь, кто и когда первым изобрел пропеллер? Как он работает, и за счет чего создает настолько мощную тягу, что ее достаточно для полета самолета? Зачем лопасти винтов всегда устанавливают под определенным углом? Даже если вы примерно понимаете принцип работы винта, многие факты об этом механизме, которыми мы хотим поделиться, вас наверняка удивят.

Пропеллер самолета — история изобретения

Считается, что предшественником современного пропеллера является Архимедов винт. Изобретение этого механизма приписывают древнегреческому ученому Архимеду, жившему в третьем веке до нашей эры. Устройство представляет собой полую трубу со спиралевидным винтом внутри. Механизм устанавливали под наклоном к горизонтали и использовали для перекачки воды из низколежащих водоемов в оросительные каналы.

Впоследствии Архимедов винт был преобразован в шнек. Вы можете прямо сейчас увидеть как он работает, включив мясорубку. Да, это тот самый винт, который перемещает мясо из приемного лотка к ножам и сетке. Но, согласитесь, Архимедов винт и шнек все же далеки от современного пропеллера.

Первым же летающим предметом, который использовал для тяги подобие винта, стала китайская игрушка бамбук-стрекоза. Она представляет собой стержень (ось) с лопастями на конце. Ось раскручивали между ладоней, в результате чего лопасти быстро вращались, и бамбук-стрекоза взлетала. Наверняка многим из вас эта игрушка известна в современном исполнении под названием “вертушка”.

Предположительно бамбук-стрекоза появилась в 300-х годах нашей эры при династии Цзинь. В качестве лопастей к палке прикрепляли перья птицы. Впоследствии лопасти стали делать деревянными. Надо сказать, что именно эту игрушку взял за основу своих наработок английский инженер Джордж Кейли, один из первых теоретиков и исследователей в области летательных аппаратов.

Также вы наверняка слышали о чертеже Леонардо Да Винчи, на котором изображен прообраз современного винта. Правда, он все еще далек от современного пропеллера, и больше напоминает короткий шнек. А вот аэродиномическая машина Михаила Ломоносова, продемонстрированная в 1754 году, уже содержит подобие современных винтов, как, собственно, и дирижабль Джорджа Кейли.

Воздушный винт — принцип работы

Как мы сказали в самом начале, лопасти любого современного пропеллера всегда установлены под определенным углом, который называют углом установки. Благодаря этому углу, при вращении лопасти набегают на воз­дух, как бы загребают его, и отбрасывают назад. Таким образом пропеллер отталкивается от воздуха, и стремится двигаться вперед. При этом перед винтом образуется меньшее давление, чем за ним. В результате возникает аэродинамическая тяга вдоль оси винта, которая тянет самолет за собой.

Надо сказать, что сила тяги зависит не только от скорости вращения пропеллера и его размеров, но и таких ключевых параметров, как шаг винта и угла установки. От последнего зависит так называемый “угол атаки”. То есть угол, под которым лопасть набегает на воздух. Чем он больше, тем лопасть больше «загребает» воздух. Правда увеличивать угол можно только до определенного момента, после которого лопасть вообще перестает создавать тягу.

Шагом называется расстояние вдоль оси, которую винт мог бы пройти, если бы ввинчивался в воздух как саморез в дерево. Разумеется, на практике винт за полный оборот проходит меньшее расстояние, так как воздух имеет низкую плотность. Как не сложно догадаться, чем больше угол наклона лопастей к плоскости вращения, тем больше шаг.

Что такое “эффект запирания” и почему он возникает

Из всего вышесказанного может показаться, что чем выше скорость вращения, тем выше тяга, и, соответственно выше скорость полета. Но на самом деле это не так. Существует так называемый “эффект запирания”. Он возникает при достижении винтом определенной скорости вращения.

Эффект выражается в отсутствии роста тяги при увеличении скорости. То есть какой бы ни была скорость вращения винта (после достижения определенного значения), тяга не увеличивается. Эффект объясняется появлением на лопастях участков с околозвуковым либо даже сверхзвуковым течением воздуха. Это накладывает определенные ограничения на характеристики винтовых самолетов. По этой причине они не могут преодолевать скорость в 650—700 км/ч.

Правда, бомбардировщик Ту-95, который считается самым быстрым винтовым самолетом, развивает скорость в 920 км/ч. Проблема запирания в нем была решена установкой двух соосных винтов с определенными размерами лопастей, которые вращаются в противоположных направлениях. Но, в любом случае, винтовой самолет никогда не сможет разогнаться до скорости, к примеру, «Конкорда». 

Как сила тяги зависит от скорости полета

Сила тяги уменьшается не с увеличением скорости полета. Когда самолет стоит неподвижно, лопасти винта движутся только по окружности, при этом сила тяги, создаваемая винтом, максимальная. Это объясняется тем, что угол атаки равен углу наклона лопастей к окружности (углу установки), о котором мы рассказывали выше. А тяга, как мы выяснили, зависит именно от него. Но если самолет движется вперед, лопасти движутся в двух направлениях — по окружности и вдоль оси вращения. В результате угол атаки фактически становится меньше, чем угол установки лопастей.

Таким образом, чем выше скорость полета, тем ниже аэродинамическая тяга. Для решения этой проблемы был придуман винт из­меняемого шага. Благодаря особому устройству втулки, при увеличении скорости полета винт без участия летчика изменяет свой шаг. Проще говоря, угол установки лопастей автоматически меняется, в зависимости от скорости. Чем выше скорость полета, тем больше становится угол наклона лопастей. То есть увеличивается шаг винта, а вместе с ним и угол атаки.

В современной авиации применяются чаще всего винты с изменяемым шагом. Самолеты без этого механизма, то есть с обычным пропеллером, упираются в еще один барьер скорости.

Что такое флюгирование и какую функцию выполняет

Флюгированием винта называется поворот лопастей самолета в положение, при котором предотвращается лобовое сопротивление, создаваемое винтом, а также вращение под воздействием набегающего воздушного потока (эффект ветряной мельницы). Для этого лопасти устанавливаются под углом 85—90 градусов. В каких ситуациях возникает потребность в флюгировании?

Этот режим предусмотрен на случай отказа двигателя. Когда мотор перестает работать, «эффект ветряной мельницы» создает отрицательную тягу. В результате самолет теряет скорость, кроме того, ухудшается его управление. Флюгировение же позволяет самолету планировать или, к примеру, продолжать полет на оставшихся рабочих двигателях.

Почему лопасти винта “скручены” по спирали

Итак, мы выяснили для чего нужен угол наклона лопастей, на что он влияет и как может изменяться в полете. Но если вы внимательно посмотрите на современный винт, то заметите, что угол наклона каждой лопасти неравномерный. У основания угол наклона всегда больше, чем у вершины лопасти. То есть лопасть не ровная, а имеет немного спиралевидную форму. Но для чего это сделано?

У основания лопасти, то есть в месте крепления, скорость движения по окружности всегда ниже, чем на конце. Соответственно сила тяги, а значит и нагрузка, на конце пропеллера выше, чем у основания. Чтобы обеспечить равномерную нагрузку на всю поверхность лопастей (и таким образом избежать чрезмерной нагрузки на их кончиках), концы делают с меньшим углом наклона к окружности. В результате шаг винта у основания больше чем на концах, благодаря чему нивелируется разница в скорости движения.