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. Однако основное её преимущество, выгодно выделяющую её перед другими схемами — это широкий диапазон масштабирования: по такой схеме можно сделать как очень маленький, так и достаточно большой вертолёт.
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. Из-за угрозы схлёста винтов невозможно применять эту схему на тяжёлых вертолётах (Ка-32 максимально приближен к технологическому пределу такой схемы). Дальнейший рост массы повлечёт увеличение диаметра несущих винтов, что существенно повысит риск их схлёста.
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.