Как воздушный винт создаёт тягу? Диаметр, шаг и безопасность

На первом шаге мы сказали, что тяга — это сила, преодолевающая сопротивление. На этом шаге мы поближе познакомимся с деталью, которая создаёт тягу у винтовых самолётов, — с воздушным винтом.

Воздушный винт — это вращающееся крыло

Сечение каждой лопасти винта похоже на профиль крыла. Когда винт вращается, каждая лопасть, как крыло, отклоняет воздух; но на этот раз сила направлена не вверх, а вперёд. NASA тоже описывает воздушный винт как «вращающееся крыло».

Почему лопасть закручена?

Конец лопасти движется гораздо быстрее, чем её часть у втулки. Когда винт диаметром 10 дюймов (около 25 см) вращается со скоростью 8000 оборотов в минуту, конец лопасти движется со скоростью около 106 метров в секунду, а участки у втулки — значительно медленнее. Чтобы каждый участок встречал воздух под подходящим углом, лопасть закручена от втулки к концу: у втулки угол большой, к концу — меньше.

Откуда берётся тяга?

Винт разгоняет проходящий через него воздух назад. По третьему закону Ньютона воздух толкает винт вперёд. В упрощённой модели NASA тяга рассчитывается так:

Тяга = ρ · A · Vₚ · (Vₑ − V₀)

• ρ: плотность воздуха
• A: площадь диска винта
• Vₚ: скорость воздуха в плоскости винта (в идеальной модели — среднее входной и выходной скоростей)
• Vₑ − V₀: приращение скорости воздуха

Этот идеальный расчёт не учитывает потерь, но показывает суть: разгонять больше воздуха через больший диск — значит получать больше тяги.

Диаметр и шаг: что означает «10x6»?

Винты для авиамоделей обычно обозначают двумя числами. Например, винт 10x6:

• 10: диаметр винта в дюймах (около 25,4 см).
• 6: шаг (pitch) в дюймах. Геометрическая величина, показывающая, на сколько винт продвинулся бы вперёд за полный оборот без проскальзывания.

Общие закономерности такие:

• Больший диаметр: перемещает больше воздуха; даёт более сильную тягу на малых скоростях.
• Больший шаг: сильнее отталкивает воздух за каждый оборот; подходит для более высоких скоростей полёта, но может быть менее эффективен на взлёте и в наборе высоты.
• Увеличение обоих параметров требует от двигателя большей мощности. Двигатель потребляет больший ток, двигатель, регулятор (ESC) и аккумулятор нагреваются.

Побочные эффекты винта

Руководство FAA описывает у одномоторных винтовых самолётов ряд вызванных винтом тенденций к развороту влево (для винтов, вращающихся по часовой стрелке, если смотреть с места пилота): реактивный момент двигателя, закрученный поток от винта, набегающий на фюзеляж, P-фактор и гироскопический эффект. У авиамоделей стремление уводить в сторону на взлёте тоже вызвано этими эффектами. Поэтому на взлёте важно плавно добавлять газ и парировать увод рулём направления.

Безопасность: винт — это лезвие

• Снимайте винт, когда работаете с моделью, регулируете её или проверяете рули.
• Перед подключением аккумулятора убедитесь, что стик газа на пульте в крайнем нижнем положении.
• Не стойте в плоскости вращения винта при работающем двигателе: сломавшаяся лопасть отлетает именно в этой плоскости.
• Не используйте треснувшие, зазубренные или ударявшиеся о землю винты; несбалансированный винт вызывает вибрацию и может сломаться.

Попробуйте сами

Введите диаметр, шаг и обороты своего винта. Посмотрите на графике, почему при той же мощности винт большего диаметра создаёт больше статической тяги.

Первая часть серии завершена

За восемь шагов мы разобрали четыре силы, возникновение подъёмной силы, уравнение подъёмной силы, сваливание, рули, центр тяжести, атмосферу и воздушный винт. На следующих шагах перейдём к лётным характеристикам и к тому, как использовать эти знания при выборе первой модели самолёта.