У автожиров частота смертельных аварий была более чем в 13 раз выше. Почему?

Что вращает ротор автожира?

Что вращает ротор автожира? Издали автожир похож на маленький вертолет. Сверху у него длинный ротор, набор лопастей, который вращается над головой пилота. Но в обычной схеме двигатель стоит сзади и вращает винт за пилотом.

Этот винт толкает аппарат вперед, как винт небольшого самолета. Так что же вращает большие лопасти сверху? Именно это люди и ищут: как работает ротор автожира? Другие хотят знать, сколько он стоит и безопасен ли он.

До всего этого мы еще дойдем. Но сначала названия. Гирокоптер, гироплан и автожир означают один тип летательного аппарата. Гироплан это официальный термин в руководствах FAA, Федерального управления гражданской авиации США, которое регулирует полеты в стране.

Gyro-Copter сначала было названием одной американской конструкции, а потом слово прижилось. А "gyro" здесь происходит от греческого слова "кольцо" или "круг". Несмотря на название, автожир летает не за счет гироскопа. История этого аппарата начинается с катастрофы в Испании в тысяча девятьсот девятнадцатом году.

Она проходит через вертолет, Вторую мировую войну и британское расследование авиакатастрофы. Оно установило, что с тысяча девятьсот восемьдесят девятого по две тысячи четвертый год у гиропланов в Великобритании смертельные аварии происходили более чем в 13 раз чаще, чем у микролайтов сравнимой массы. А заканчивается эта история прайс-листом. Но сперва ротор.

Похож на вертолет, но

Начнем с аппарата, на который он похож. У вертолета двигатель вращает ротор. Вращающиеся лопасти направляют воздух вниз, и это держит вертолет в воздухе. Вращение ротора дает побочный эффект: корпус вертолета стремится закрутиться в другую сторону.

Поэтому у большинства вертолетов есть маленький хвостовой ротор, который останавливает это вращение. У гироплана нет хвостового ротора, потому что его свободно вращающемуся ротору не нужно гасить это вращение. В нормальном полете от двигателя к ротору вообще не идет приводной вал. В руководстве FAA он назван летательным аппаратом, получающим подъемную силу от "свободно вращающегося ротора".

Единственное исключение бывает перед взлетом. У многих гиропланов на земле двигатель ненадолго соединяют с ротором для раскрутки лопастей. Это предварительная раскрутка. На самых простых гиропланах пилот просто раскручивает лопасти руками. Перед разбегом эту связь отключают, и поток воздуха при движении вперед доводит ротор до рабочей частоты вращения.

Значит, в воздухе двигатель только толкает аппарат вперед. И все же лопасти вращаются весь полет. Поэтому гироплан не может висеть в воздухе на одном месте, как вертолет. FAA пишет: при очень малой скорости он быстро снижается, поэтому должен продолжать двигаться в воздухе.

Вот и ключ.

Летающая ветряная мельница

Посмотрите, как наклонен ротор гироплана. Плоскость, которую описывают лопасти, называется диском ротора и наклонена назад, от направления полета. Когда винт толкает аппарат вперед, воздух набегает на этот наклоненный диск спереди и снизу. FAA просто говорит: ротор свободно вращается благодаря поднимающемуся через лопасти воздуху.

Авторотация: ротор вращается от воздуха, проходящего через него, без привода двигателя. Иными словами, его держит в воздухе ветряная мельница, которую автожир тащит по небу. Но ветряная мельница вращается, потому что ветер давит на нее. Как один и тот же воздух может и вращать лопасти, и поднимать аппарат?

Посмотрите на одну лопасть сбоку. Воздух приходит частично спереди от вращения лопасти и частично снизу, потому что аппарат входит в наклоненный диск. Воздух действует на лопасть аэродинамической силой, суммой подъемной силы и сопротивления. На части лопасти эта сила слегка наклонена вперед, перед осью, вокруг которой вращается лопасть.

Такая направленная вперед сила тянет лопасть по кругу. Вращающая сила такого рода называется крутящим моментом. Если вы видели наше видео о том, почему ветряные турбины медленно вращаются, эта схема знакома. Там сила воздуха на лопасти тоже наклоняется, и ее часть становится крутящим моментом, вращающим ротор.

Ротор гироплана работает так же, только он запрокинут назад. Разница в том, куда идет крутящий момент. Ветряная турбина передает его генератору, чтобы вырабатывать электричество. Автожир использует этот момент, чтобы поддерживать вращение ротора, а весь диск создает подъемную силу.

Но тянут не все участки лопасти. FAA делит ротор в режиме авторотации на три зоны. В ведущей зоне сила наклонена вперед и ускоряет ротор. Ближе к концам, в ведомой зоне, сила наклонена назад и замедляет ротор.

А ближе к центру лопасти встречают воздух под слишком большим углом, и поток срывается. Срыв означает, что воздух перестает плавно обтекать крыло, и оно внезапно теряет подъемную силу. Для вертикально снижающегося с выключенным двигателем вертолета FAA дает примерные размеры. На внутренних 25 процентах длины лопасти происходит срыв потока.

Ведущая зона занимает примерно от 25 до 70 процентов лопасти. Внешние примерно 30 процентов составляют ведомую зону. Ротор держит постоянную частоту, когда ускорение ведущей зоны уравновешивает замедление двух остальных. В главе об автожирах процентов нет, поэтому считайте эти цифры примерной картиной, а не измерением для автожира.

Эту же физику использует пилот вертолета, когда отказывает двигатель. Пилот переводит ротор в авторотацию, и вертолет снижается под ним, сохраняя управление. А автожир просто летит в этом режиме постоянно.

Самолет, который не сваливался

Но зачем вообще строить такой летательный аппарат? Ответ начинается с испанского инженера по имени Хуан де ла Сьерва. В 1919 году его бомбардировщик участвовал в испанском военном авиационном конкурсе. На испытательном полете он летел слишком медленно, и произошел срыв потока.

Он разбился и был уничтожен, но пилот выжил. Сьерва решил, что у самолетов с неподвижным крылом есть непреодолимые ограничения. История авиации США так формулирует: катастрофа убедила его, что безопасность полетов требует аппаратов без срыва потока. Самолету с неподвижным крылом нужна скорость, чтобы его крылья работали.

Если он летит слишком медленно, крыло встречает воздух под слишком большим углом, и поток срывается. У земли это может быть смертельно. Сьерва хотел дать самолету крылья, движущиеся даже при замедлении самолета. Вращающиеся крылья.

FAA прямо говорит: у автожира не бывает срыва потока. Но это предупреждение, а не повод хвастаться. Полная фраза: "Поскольку автожир невозможно довести до срыва потока, может возникнуть соблазн повысить скороподъемность, уменьшив воздушную скорость". При слишком малой скорости автожир все же снижается быстрее.

Обычно при нулевой воздушной скорости он снижается примерно вдвое быстрее, чем на наилучшей скорости планирования. При остановке двигателя ротор авторотирует, а аппарат снижается под ним. Поскольку ротор автожира несет меньшую нагрузку для своего размера, чем ротор вертолета, при авторотации он обычно снижается медленнее вертолета.

Перед самым касанием пилот тянет ручку на себя, выполняя выравнивание, чтобы погасить большую часть снижения и поступательной скорости. Автожир не срывается, как самолет с неподвижным крылом. Помните: это не значит, что он не попадет в беду.

Ротор, который перевернулся

Первый роторный аппарат Сьервы не летал. Когда ранние машины набирали скорость, они обычно опрокидывались на бок. Причина в дисбалансе любого летящего вперед ротора. Представьте летящий вперед ротор.

С одной стороны лопасть движется навстречу набегающему воздуху. С другой она движется вместе с этим воздухом. Наступающая лопасть встречает воздух быстрее, создавая больше подъемной силы. Отступающая встречает его медленнее, поэтому создает меньше.

Это несимметрия подъемной силы: одна сторона ротора поднимает больше другой. С жесткими лопастями этот дисбаланс мог опрокинуть весь аппарат. И все же маленькая модель Сьервы летала хорошо. Он понял, что ее лопасти были гибкими.

При вращении они сами изгибались вверх-вниз, выравнивая подъемную силу. На полноразмерном роторе он шарниром взмаха закрепил каждую лопасть к втулке, чтобы она ходила вверх-вниз. Наступающая лопасть с большей подъемной силой чуть поднимается, уменьшая ее. Отступающая лопасть немного опускается, и ее подъемная сила растет.

Две стороны выравниваются, и аппарат не опрокидывается. В январе 1923 года C.4 Сьервы совершил первые полеты на аэродроме Хетафе близ Мадрида. Его пилот, лейтенант Алехандро Гомес Спенсер, пролетел на нем около ста восьмидесяти трех метров. 31 января C.4 выполнил замкнутый полет около 4 километров.

Источники того времени расходятся в точной дате, но в том месяце состоялся первый официально наблюдаемый полет автожира. Шарнир взмаха пережил сам автожир. Собственное руководство FAA говорит, что он сыграл важную роль в успехе современного вертолета.

Увлечение автожирами

В 1928 году американец Гарольд Питкэрн купил один из аппаратов Сьервы для оценки. На следующий год он купил американские права и начал строить autogiros, как их тогда называли. PCA-2 Питкэрна получил в США сертификат типа, официальное разрешение строить и продавать копии конструкции летательного аппарата. Восьмого апреля тысяча девятьсот тридцать первого года Амелия Эрхарт поднялась на автожире Питкэрна на восемнадцать тысяч четыреста пятнадцать футов, примерно пять тысяч шестьсот метров.

Тогда это сообщили как рекорд для такого типа летательного аппарата. Через несколько недель она пересекла США на нем при поддержке компании жевательной резинки. 23 сентября 1931 года пилот ВМС трижды посадил автожир на авианосец USS Langley и снова взлетел. Это были первые в ВМС США операции винтокрылой авиации с корабля.

22 апреля 1931 года автожир сел на лужайке Белого дома, когда президент Гувер вручил Питкэрну Collier Trophy, одну из главных американских авиационных наград. А 6 июля 1939 года автожир начал возить почту из аэропорта в Кэмдене, Нью-Джерси, на крышу главпочтамта Филадельфии. В пробном рейсе, о котором сообщила The New York Times, путь занял шесть с половиной минут.

Почта на автожирах летала также в Чикаго, Новом Орлеане, Лос-Анджелесе и Вашингтоне. В Британии Королевские ВВС в 1930-х испытывали автожиры Сьервы для взаимодействия с армией. Во Второй мировой их применяли для калибровки радиолокационных станций, потому что они могли медленно и ровно лететь. Германия нашла этому же принципу еще более простое применение.

Focke-Achgelis Fa 330 был роторным змеем вообще без двигателя. Всплывшая подводная лодка буксировала его на тросе длиной около 300 метров. Набегающий воздух вращал ротор, и тот мог поднять наблюдателя значительно выше 100 метров, примерно до 220. Оттуда он видел примерно на 50 километров, более чем на 30 миль, против примерно 8 километров с рубки подлодки.

Ротор, вращаемый потоком воздуха без привода двигателя.

Передать шарнир вертолету

Почему сегодня не видим автожиры повсюду? Помните: они летают медленно, но не висят. Для посадки на крыше, подъема человека или удержания над одной точкой это важно. В 1940-х появились практичные вертолеты, способные висеть, чего автожир не умел.

Почтовый музей Смитсоновского института: авиапочту на автожирах «вытеснила и прекратила вертолетная авиапочта». Аэрокосмический инженер Гордон Лейшман, изучающий историю винтокрылых машин: автожир дал вертолету основную технологию, например шарнирные лопасти, и ускорил разработку. В 1951 году компания Питкэрна судилась с правительством США: построенные для него вертолеты использовали ее патенты на ротор.

Vertical Flight Society называет это самым долгим в истории США иском о нарушении патентов. Он завершился в октябре 1977 года. Сьерва не увидел господства вертолета. 9 декабря 1936 года он был пассажиром лайнера KLM, вылетевшего из Кройдона под Лондоном в густом тумане.

Он разбился вскоре после взлета, погибли 15 человек, включая Сьерву. Ему 41.

Автожиры из гаража и катастрофы

Автожир вернулся как аппарат для домашней постройки. Игорь Бенсен, инженер, работавший над вертолетами в США, впервые поднял в воздух свой Gyro-Copter в декабре 1955 года. Его разработали для постройки по чертежам стоимостью около 30 долларов. Готовый комплект стоил 995 долларов в деньгах того времени.

Смитсоновский институт называет его одним из самых популярных самодельных аппаратов XX века. Британский конструктор автожиров Кен Уоллис даже летал на собственной машине в фильме о Джеймсе Бонде 1967 года "You Only Live Twice". Достаточно простой для постройки дома по чертежам или набору. "Не может сорваться" не значило "безопасен".

В 2004 году британское Отделение расследования авиационных происшествий, AAIB, рассмотрело безопасность автожиров в отчете об одной смертельной аварии. Оно насчитало в Великобритании с 1989 года 15 смертельных аварий автожиров. По оценкам летных часов британского Управления гражданской авиации, частота смертельных аварий составила двадцать семь целых одну десятую на сто тысяч летных часов. Для микролайтов около 2.

Для легких самолетов с неподвижным крылом около 1,1. Это более чем в 13 раз выше показателя микролайтов сравнимой массы. Что шло не так? Где толкает винт?

Линия его тяги называется линией тяги. На многих простых самодельных автожирах двигатель стоял высоко, и эта линия проходила над центром тяжести, где уравновешен вес аппарата. FAA предупреждает: при подаче мощности автожир стремится опустить нос.

Обычно ротор противодействует этой силе, удерживая нос вверх. Но при слишком быстрой подаче ручки вперед ротор внезапно несет меньше веса. Это называется разгрузкой ротора. Разгруженный ротор замедляется и может перестать держать нос вверх.

FAA также пишет: при внезапном снятии нагрузки с ротора некоторые автожиры резко опускают нос. На машинах с линией тяги выше центра тяжести и без достаточного горизонтального оперения, FAA предупреждает: опускание носа может стать "самоподдерживающимся и необратимым". Руководство называет это buntover, или power pushover.

Там же описана вызванная пилотом раскачка: его поправки не совпадают с движением аппарата, и колебания вверх-вниз быстро растут. Авария из отчета 2004 года была с самодельным автожиром по чертежам Бенсена. У этого автожира не было горизонтального оперения, а линия тяги была примерно на 4,8 дюйма, около 12 сантиметров, выше центра тяжести, далеко за пределом в 2 дюйма, который рекомендовали исследователи Университета Глазго.

Горизонтальное оперение - маленькое неподвижное заднее крыло, помогающее держать нос ровно. AAIB также сослалось на исследование Popular Rotorcraft Association, американской группы автожиров, о смертельных авариях в США с 1999 по 2002 год. Оно показало: все смертельные аварии от неустойчивости по тангажу произошли на аппаратах без горизонтального оперения. Опасность была не в срыве потока.

Во многом она шла от формы аппарата: высокой линии тяги и отсутствия горизонтального оперения.

Что исправили, а что нет

Британия уже начала искать причину. С тысяча девятьсот восемьдесят девятого по тысяча девятьсот девяносто первый год произошло несколько необъяснимых смертельных аварий легких автожиров. После обзора AAIB тысяча девятьсот девяносто первого года Университет Глазго изучал автожиры с тысяча девятьсот девяносто третьего по две тысячи восьмой год. Они использовали аэродинамические трубы, летные испытания с приборами и математические модели.

Главный вывод касался высоты центра масс относительно линии тяги винта. Они назвали ее ключевым параметром. Британские правила для автожиров, BCAR Section T, изменили с учетом их работы. Последнее обновление вышло в 2011 году, те же требования приняли Австралия и Канада.

Британские рекомендации теперь ограничивают расстояние между линией тяги примерно двумя дюймами и центром тяжести. Если больше, производитель консультируется с регулятором. Ведущие производители опустили раму под двигателем, чтобы винт был ближе к центру тяжести. Но одна исправленная опасность не убирает остальных.

12 ноября 2020 года в Шотландском нагорье курсант-пилот летел один на двухместном автожире Cavalon. В полете головка ротора отделилась от аппарата, и пилот погиб. AAIB опубликовало отчет в ноябре 2024 года. Оно установило: нагрузки от серии маневров перегрузили конструкцию.

По его данным, пилот, вероятно непреднамеренно, вошел в режим низкой перегрузки с разгруженным ротором. Этот режим мог выйти за пределы руководства аппарата. AAIB выпустило четыре рекомендации по безопасности. Низкая перегрузка: ротор ненадолго несет малую часть веса аппарата, поэтому всё легче обычного.

Это та же разгрузка. Снимите нагрузку с ротора автожира, и он может потерять обороты. Риск здесь не в срыве неподвижного крыла, которого опасался Сьерва. Риск связан с разгрузкой вращающегося крыла.

Мы не нашли свежей сравнимой статистики аварийности нынешних автожиров, поэтому не утверждаем, что они теперь так же безопасны, как другие легкие аппараты. Смертельные аварии по-прежнему случаются, включая катастрофу 2020 года с отделением головки ротора в полете.

Сколько стоит автожир?

Один из самых частых поисковых вопросов: сколько стоит автожир? Цены зависят от страны, года и комплектации, поэтому назовем год каждого примера. На AirVenture в две тысячи двадцать первом году одноместный набор JK-2 Nano с тридцативосьмисильным двигателем стоил около двадцати шести тысяч долларов США. Он соответствовал американским правилам сверхлегких аппаратов Part сто три.

По ним в США для полета не нужны ни свидетельство пилота, ни медицинское свидетельство. Двухместные наборы дороже. В две тысячи четырнадцатом году американский журнал указывал наборы трех моделей одного производителя по семьдесят тысяч - сто двадцать тысяч долларов США. В США их продавали наборами, которые владельцы помогали собирать.

В 2026 году новые двухместные автожиры итальянской Magni, по сообщениям, стоили около Сто тысяч - сто семьдесят пять тысяч долларов США, в зависимости от модели и обменного курса. В Британии подержанный двухместный аппарат 2018 года выставили менее чем за половину названной продавцом цены нового. Есть еще обучение: одна американская школа брала около 275 долларов в час, включая топливо и инструктора.

Пилотам со свидетельством спортивного пилота для допуска к автожирам обычно нужно 10-20 часов. В США новые правила легких спортивных аппаратов поэтапно вступали в силу с октября 2025 года. С июля две тысячи двадцать шестого года автожиры заводской постройки впервые сертифицируют в категории легких спортивных аппаратов. Спортивные пилоты и раньше летали на автожирах, изменились постройка и продажа аппаратов.

Среди этих примеров самый дешевый путь в небо - маленький одноместный набор для самостоятельной постройки. При любой цене аварийная статистика показывает важность конструкции и обучения.

Крыло, которое крутит ветер

Итак, что вращает ротор автожира? Воздух, поднимающийся через наклоненные лопасти, пока аппарат движется вперед. В нормальном полете двигатель не приводит ротор. Часть каждой лопасти превращает толчок воздуха в крутящий момент, как лопасть ветряной турбины.

Этот момент поддерживает вращение ротора, а вращающийся ротор держит аппарат в воздухе. Хуан де ла Сьерва хотел создать аппарат, у которого не будет срыва потока при слишком малой скорости. Он нашел его в крыле, которое вращает ветер. Но у него была собственная слабость: внезапная разгрузка ротора может замедлить его и опустить нос аппарата.

Понадобились годы аварий и исследований, чтобы это понять и изменить правила. Автожир уступил вертолету работу по перевозке авиапочты. Но вертолеты до сих пор используют ту же физику, чтобы безопасно снизиться при отказе двигателя.