Вертолёт взлетает благодаря подъёмной силе несущего винта, вращение которого создаёт реактивный момент. Согласно третьему закону Ньютона, фюзеляж вертолёта стремится вращаться в сторону, противоположную винту. Для стабилизации этот момент необходимо компенсировать. Существует два основных пути: создание вспомогательной силы (в одновинтовых схемах) или взаимная компенсация (в двухвинтовых).
Классическая схема (одновинтовая с рулевым винтом)
В 1911 году Борис Николаевич Юрьев впервые опубликовал классическую схему вертолёта, а спустя почти 30 лет, в 1939 году, Игорь Иванович Сикорский создал первый прототип вертолёта классической компоновки — VS-300, которая стала самой распространённой в мире.
Классическая схема имеет один несущий и один рулевой винт. Несущий винт обеспечивает подъёмную силу, а рулевой винт, находящийся в хвосте, создаёт дополнительную силу, которая компенсирует реактивный момент. Эта конструкция смогла завоевать популярность благодаря своей простоте и надёжности.
Вертолёты такой схемы выпускаются различными компаниями и широко используются как в гражданской, так и в военной авиации. Среди плюсов этой конструкции выделяют простоту систем управления и высокий КПД. К недостаткам относятся высокая травмоопасность рулевого винта (с 1960-х годов более 50% небоевых потерь личного состава были связаны с попаданием людей под лопасти), а также повышенный риск возникновения эффекта вихревого кольца.
Вихревое кольцо возникает, когда поток воздуха, проходящий через винт вниз, заворачивается наружу, поднимается вверх, снова засасывается внутрь и уходит вниз. Такая рециркуляция сводит на нет большую часть подъёмной силы. Если вихревое кольцо образуется на несущем винте, это приводит к резкому проседанию вертолёта, а если на рулевом — к потере путевой управляемости и бесконтрольному вращению.
Вихревое кольцо рулевого винта может возникнуть только у вертолёта классической компоновки. Это гораздо опаснее, чем вихревое кольцо несущего винта, так как явление возникает внезапно и приводит к дезориентации пилота, а выйти из него гораздо сложнее.
C 2008 по 2021 год вихревое кольцо несущего винта стало причиной 48 происшествий, в то время как вихревое кольцо рулевого винта стало причиной от 60 до 70 происшествий.
Все остальные аэродинамические схемы используются существенно реже, и в основном их производство является прерогативой одной или нескольких фирм.
Одновинтовая с фенестроном
Вторая по популярности схема представляет собой вертолёт с рулевым винтом в кольцевом канале. По-другому её называют «фенестрон» (от французского fenestron — «окошко»). Принцип компенсации реактивного момента здесь такой же, как и в предыдущем случае: рулевой винт создаёт тягу, которая препятствует бесконтрольному вращению вертолёта.
Вертолёт с такой компоновкой обладает меньшим лобовым сопротивлением и меньшим весом трансмиссии. Фенестрон решает сразу две основные проблемы классической схемы. Во-первых, практически отсутствует риск возникновения вихревого кольца на рулевом винте; во-вторых, значительно снижена вероятность травмирования персонала лопастями хвостового винта. Такая схема делает эксплуатацию вертолёта безопаснее, однако за это приходится расплачиваться усложнением конструкции. Из-за особенностей расположения винта может возникать крен на висении и скольжение при горизонтальном полете.
Этот эффект приходится нивелировать либо конструктивными изменениями, либо постоянной корректировкой со стороны пилота или автопилота. Также для этой системы крайне опасно обледенение: лёд, попавший в кольцо, неизбежно повредит винт.
Первым вертолётом с фенестроном стал французский Gazelle SA340 компании «Аэроспасьяль» (Aérospatiale). Позже появились боевые модификации этого вертолёта — SA 341 Gazelle. В Китае также налажено производство вертолётов с такой схемой: на базе французского AS-365 Dauphin Китай был создан Z-9, а позже на его базе был создан ударный Z-19. Кроме того, фенестрон применялся на американском экспериментальном стелс-вертолёте RAH-66. Была даже попытка применить его на советском ударном вертолёте Ми-24А (проект Ми-24Л), однако испытания показали низкую эффективность такого решения для тяжёлой машины.
Одновинтовая со струйной компенсацией реактивного момента (NOTAR)
Создатели системы NOTAR (англ. No Tail Rotor — «без хвостового винта»), одним из ведущих конструкторов которой был Роберт Дж. Хастон, решили вовсе отказаться от рулевого винта. Реактивный момент в этой схеме компенсируется за счёт воздушной струи, выходящей из прорезей в хвостовой балке, а управление по рысканью осуществляется поворотом специального сопла на конце хвостовой балки.
Благодаря эффекту Коанда поток воздуха огибает балку, создавая на одной из её сторон область пониженного давления. Возникающая из-за разницы давлений аэродинамическая сила компенсирует реактивный момент несущего винта.
Такая компоновка считается наиболее безопасной, так как количество внешних движущихся деталей сведено к минимуму. Она отличается малым весом трансмиссии и очень низким уровнем шума. Однако основным недостатком является низкий, по сравнению с другими схемами, КПД: до 30% мощности двигателя может уходить на работу вентилятора, создающего воздушную струю.
Разработкой и производством вертолётов, оснащённых системой NOTAR, занималась американская компания «Хьюз Геликоптерз» (Hughes Helicopters), которая потом вошла в состав «МакДонел Дуглас» (McDonnell Douglas).
Двухвинтовая соосная
Реактивный момент несущего винта можно компенсировать вторым несущим винтом, вращающимся в противоположную сторону. В этом случае не требуется установка рулевого винта или иных систем компенсации.
Первые попытки создания соосной схемы были предприняты Игорем Ивановичем Сикорским в 1910–1911 годах. Но в то время отсутствовала необходимая научная база и мощные двигатели. По-настоящему жизнеспособную соосную схему смог реализовать Николай Ильич Камов. В 1948 году состоялась премьера Ка-8 — первого полноценного вертолёта такой конструкции.
Такая компоновка существенно повышает живучесть боевого вертолёта. Слабым местом любого вертолёта с одним несущим винтом является хвостовая балка: даже её незначительные повреждения могут привести к разрушению конструкции и катастрофе. Вертолёты с соосной схемой винтов лишены такого недостатка. К тому же их трансмиссия компактнее, а хвостовая балка укорочена, что снижает шанс попадания в неё поражающих элементов. Такая компоновка позволяет уменьшить габариты вертолёта и сделать его более манёвренным. Вертолёты с такой схемой нечувствительны к боковому ветру и обладают высокой весовой отдачей (> 50%), благодаря чему получили широкое распространение в ВМФ и армейской авиации.
Однако лобовое сопротивление колонки винтов равно сопротивлению самого вертолёта, проектирование и производство трансмиссии крайне сложно, а лопасти верхнего и нижнего винта могут схлестнуться.
Двухвинтовая продольная
При такой компоновке несущие винты расположены друг за другом и, как правило, на разной высоте.
Основным преимуществом такой схемы является просторный грузовой отсек и очень широкий, по сравнению с другими вертолётами, диапазон центровки. Неудивительно, что один из самых известных вертолётов этой схемы — Boeing CH-47 Chinook — является транспортным.
Однако при такой схеме крайне сложно выполнить посадку на авторотации, а фюзеляж из-за реактивных моментов двух винтов постоянно испытывает деформацию на изгиб.
Двухвинтовая поперечная
При такой схеме несущие винты разнесены в противоположенные стороны от фюзеляжа и установлены на концах специальных крыльев или ферм.
У такого вертолёта полезное пространство занимает почти весь объём фюзеляжа, а управление по крену является очень эффективным. Благодаря тому, что несущие винты находятся на удалении от корпуса, внутри вертолёта значительно меньше ощущаются вибрации. Также к плюсам можно отнести наличие крыла, которое на больших скоростях создаёт подъёмную силу, разгружая винты.
Однако недостатком такой компоновки является значительное аэродинамическое сопротивление и сложная трансмиссия и система управления. Кроме того, крылья увеличивают габариты вертолёта, что затрудняет его базирование.
Одним из таких вертолётов является Ми-12 (Миль В-12).
Ми-12 был самым большим из когда-либо созданных вертолётов. В 1969 году он смог поднять груз массой больше 40 тонн на высоту 2250 метров, что до сих пор является мировым рекордом.
Синхроптер
Схема была изобретена Антоном Флеттнером в Германии в конце 1930-х годов. Первым серийным вертолётом такой схемы стал Flettner Fl 282 «Колибри».
У такого вертолёта лопасти несущих винтов перекрещиваются, а оси вращения валов расположены под углом, напоминая латинскую букву «V». Вращение винтов синхронизировано трансмиссией, благодаря чему, лопасти проходят через общие зоны в разное время и не сталкиваются.
К преимуществам такой компоновки относятся высокая устойчивость на висении и большая грузоподъёмность при малых габаритах. Управление в режиме висения и на малых считается более простым, чем у других типов вертолётов. Однако за это приходится расплачиваться сложностью проектирования узла перекрещивающихся валов.
В настоящее время по этой схеме выпускается вертолёт Kaman K-MAX, который широко используется для перевозки тяжёлых грузов на внешней подвеске.
Масса пустого вертолёта K-MAX составляет 2178 кг, а полезная нагрузка 2720 кг. Таким образом он может поднимать груза больше, чем весит сам.
Комбинированная
Иногда для улучшения каких-либо характеристик вертолёту могут добавлять дополнительные движители. Так, например, появился Lockheed AH-56A Cheyenne. К классической компоновке для увеличения максимальной скорости был добавлен толкающий винт, а также установлено крыло увеличенной площади.
Благодаря такой конструкции несущий винт на больших скоростях разгружается (подъёмную силу создаёт крыло), а толкающий винт обеспечивает высокую горизонтальную скорость.
AH-56A мог разогнаться до 405 км/ч на высоте 1000 м, но мировой рекорд скорости принадлежит гибридному вертолёту Eurocopter X3, который смог разогнаться до 472 км/ч в горизонтальном полёте.