Почему вертолет летает ниже самолета

Если человек, непосвященный в тонкости аэродинамики и теории воздухоплавания, начнет сравнивать самолет и вертолет, то в плане их «способностей» у него возникнут вопросы. С грузоподъемностью и скоростью все более-менее понятно (лайнеры мощнее и больше), но в отношении высоты подъема (потолка) возникают вопросы.


Почему один летательный аппарат может подниматься на огромную высоту, а другой – нет? Напомним уважаемым читателям, что рекордный потолок был достигнут 31.09.1977 года советским летчиком А. Федотовым на опытном образце самолета Е-226М, разработанного в КБ Микояна. Машина поднялась на 37650 м.


Среди вертолетов тоже есть рекордсмен. Пилотируемый французом Ж. Буле Aérospatiale SA.315B Lama в 1972 году забрался на 12442 м.

Особенности конструкции вертолета

Современные винтовые машины могут то, что многим самолетам не под силу, хотя разрыв в этом плане пытаются сократить. Вертолет может взлетать вертикально с минимальной по размерам площадки, ограниченной его габаритами, зависать над одним местом сколь угодно долго. Нынешние геликоптеры умеют летать боком и даже задом наперед. А вот высоко подниматься не способны. Максимум для большинства машин составляет 4-6 км.

Каким бывает потолок

У любого летательного аппарата две разновидности наибольшей высоты. Первая – статическая. Это те тысячи метров, которые вертолет способен набрать, поднимаясь вверх строго вертикально только за счет винта. У гражданских моделей статический потолок составляет от 2-х до 4-х км, у военных – 5-6 тыс. м.


Но в реальности геликоптеры поднимаются гораздо выше. Каким же образом? Для этого необходимо использовать разгон по горизонтали, когда кинематическая энергия переходит в потенциальную. Чтобы не усложнять текст физическими и научными выкладками, скажем проще – чем сильнее разгонится машина в полете параллельно земле, тем выше она поднимется. У летчиков такой «трюк» входит в «сборник» пилотажных фигур и называется «горкой». Почему же вертолеты не летают высоко?

Малая плотность воздуха

Самолеты удерживаются наверху благодаря подъемной силе, которую формирует особый профиль крыла. Если у лайнера винты, то они еще и тянут его вперед, а реактивные двигатели толкают туда же.


Благодаря мощной силовой установке, такой летательный аппарат может почти не задействовать крылья и подниматься вверх вертикально, как ракета. На больших высотах, где разреженный воздух, самолет передвигается не только за счет крыльев, но и двигателей.


А что же вертолет? Он поднимается вверх благодаря вращению винтов, формирующих конус. Подъемная сила здесь имеет иную природу по сравнению с самолетом. Она получается из-за разницы давления под лопастями и над ними. При вращении они толкают воздух вниз, откуда он и давит на винты машины, «заставляя» ее подниматься. На большой высоте атмосфера разреженная: чем выше, тем ее плотность меньше. И вертолетным лопастям просто нечего толкать вниз, чтобы создать подъемную силу.

Двигатель и его мощность

Для приготовления топливной смеси требуется не только горючее, но и кислород. А его на высоте совсем мало. В результате мотор начинает работать неустойчиво, есть риск, что он вообще заглохнет. Кстати, так и получилось с французом-рекордсменом, упомянутом выше: избежать трагедии ему удалось чудом – благодаря авторотации (это когда винты сами крутятся, при неработающей силовом агрегате).


Теоретически решить проблему можно увеличением мощности двигателя и скорости вращения винтов. Но делать бесконечно это не получится: под влиянием центробежной силы лопасти просто оторвутся.


Также это одна из причин, почему вертолеты не могут развивать «самолетной» скорости. Говоря научным языком, она ограничивается срывом обтекания на части поверхности лопастей. Если проще, то максимальная подъемная сила вертолета реализуется только при определенном угле атаки (наклону) винта (по максимуму он составляет 13°) и скорости. Чем аппарат поднимается выше, тем больше разворачиваются лопасти, чтобы обеспечить подъемную силу.


А что же самолеты – ведь у них двигатели тоже нуждаются в кислороде? Если говорить о поршневых моторах, то рекорд установлен в 1938 году и принадлежит итальянцу Марио Пецци. Его машина Caproni Ca.161 поднялась на «умопомрачительную» высоту в 17083 м. Это даже сегодня считается достижением, что уж говорить о том времени!


Побить рекорд удалось в 1995-м. Правда, ненамного: пилотируемый винтовой самолет Grob Strato 2C, поднялся на 18561 м (по другим данным 18552 км). Кстати, судьба у этой машины была незавидной: она совершила только 29 полетов, после чего ее эксплуатация прекратилась. Может, из-за неудачного первого слова в названии (если читать по-русски)?


Но вернемся к двигателям. Современный реактивный лайнер может летать выше вертолета не только из-за разного принципа подъемной силы. Поток воздуха попадает в ДВС на большой скорости, недостижимой для вертолета. Малое количество кислорода частично компенсируется его уплотнением с помощью турбокомпрессора. Современные пассажирские лайнеры забираются на высоту в 10-12 км для того, чтобы уменьшить лобовое сопротивление потоков. В итоге получается компромисс: выше забираться нельзя, т. к. движки заглохнут, а ниже быстро летать «мешает» воздух.

Иные причины

Вертолет не предназначен для больших высот: его конструкция, например, не приспособлена к борьбе с низкой температурой. А это опасно для гидравлики, некоторых элементов двигателя, негерметичной кабины и салона. Недостаток воздуха вынудит пилотов использовать кислородные маски, устанавливать баллоны с газом, что увеличивает массу машины.


Да, все эти недостатки можно устранить. Но зачем – для установки новых рекордов? Вертолет представляет собой компактное транспортное средство для передвижения по воздуху, доставки грузов и пассажиров в труднодоступные места. По большому счету, геликоптер дешевле самолета, а по определенным техническим «способностям» лучше. Если надо забраться повыше и лететь подальше – к вашим услугам авиалайнер. Все должно быть логично и экономически целесообразно.

Резюме

Нынешние вертолеты поднимаются на высоту в 3-4 км: выше им просто не надо. Более того: в ряде стран для этих воздушных машин потолок и вовсе ограничен несколькими сотнями метров. Теоретически можно сделать вертолет, который поднимется гораздо выше даже французского рекорда. Но в этом нет смысла и необходимости. Как исключение, можно упомянуть спасательные операции. Ведь даже штатные геликоптеры могут подниматься выше установленной изготовителем планки.


К примеру, тот же рекордсмен Aérospatiale SA.315B Lama рассчитан всего на потолок 5,4 км, а поднялся на 12 км. Для грузового аппарата Sikorsky CH-54 Tarhe максимальная высота составляет 5600 м, а он долетал и до 11000 м. Но это так, «баловство», причем, рискованное. Что касается полетов по спасению людей, то здесь «планку» переходят ненамного. Например, в 1970-м советский Ми-4, рассчитанный на потолок в 5500 м, эвакуировал больного с Памира на высоте 6000 м.