Аэродинамика ротора
Если рассматривать любое сечение лопасти автожира, то при работе несущего винта компонент элементарной скорости U можно разложить (см. рис.1а) на скорость Ux (компонента в плоскости вращения) и Uy (компонент, лежащий в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения, или в плоскости взмаха). Из курса аэродинамики известно, что вдоль направления скорости Ux действует сила сопротивления X, а в направлении, перпендикулярном Uy, – подъемная сила Y. Равнодействующая указанных сил в проекции на плоскость вращения дает продольную силу Н, вызывающую авторотацию, а в проекции на плоскость взмаха – тягу. Рассмотрим теперь, что будет, если при неизменном угле установки сечения уменьшить горизонтальную компоненту скорости Ux (рис.1б): угол атаки сечения ar увеличится, и это приведет, во-первых, к увеличению подъемной силы Y, во-вторых, как видно из рис.1б, равнодействующая сила R будет наклонена вперед больше, соответственно большей будет и продольная сила Н, вызывающая авторотацию. Таким образом, вывод о том, что авторотация возможна только в узком диапазоне углов атаки (например в диапазоне 0–6 градусов), является не совсем верным. Более того, именно области на диске несущего винта с малыми углами атаки оказываются тормозящими вращение, в то время как области с относительно большими углами ускоряют вращение.
Рассматривая треугольники скоростей на рис.1, можно заметить, что большие углы атаки соответствуют меньшим значениям компоненты Ux скорости обтекания. Меньшие значения данной компоненты, что очевидно, будут в сечениях отступающей лопасти, поскольку на этой лопасти от скорости вращения отнимается скорость набегающего потока воздуха.
Отсюда вывод – именно отступающая лопасть, т. е. идущая назад по потоку, а не наступающая, вызывает авторотацию ротора, заставляет его вращаться.
Сразу возникает вопрос: увеличение угла атаки сверх критического значения может привести к обратному эффекту, т. е. снижение Y и рост X при околосрывных и срывных ar может повлечь за собой не ускорение, а наоборот, торможение сечения. Это, конечно, так, но следует иметь в виду, что при обычных (небольших) углах установки лопасти область срывных углов атаки располагается и на большинстве полетных режимов в комлевых частях отступающей лопасти. Соответственно, вращающий момент, создаваемый сечениями лопасти, находящимися в данной области, мал по сравнению с моментом, ускоряющим авторотацию, т. к. плечо тормозящих сил мало.
Возможность самовращения определяется не столько углом атаки сечения ar, сколько сочетанием между значениями ar, углом установки и соотношением между коэффициентами подъемной силы Cy и силы сопротивления Cx профиля.
Чрезмерное увеличение угла установки приводит к тому, что область срыва потока на диске расширяется, аэродинамическое качество ротора и авторотирующие свойства снижаются. При очень больших углах установки лопастей авторотация, даже осевая становится невозможной. Именно этим объясняется то, что углы установки лопастей на автожирах выбираются небольшими.
