Пропеллер как движитель¶

Пропеллер (от англ. propeller, от лат. propellere — «гнать вперёд»), также воздушный винт, — движитель, преобразующий вращательный момент двигателя в силу тяги за счёт отбрасывания массы воздуха (или иной среды) в направлении, противоположном движению аппарата. Представляет собой совокупность лопастей, закреплённых на общем вращающемся валу (ступице), которые при вращении создают аэродинамическую подъёмную силу, направленную вдоль оси вращения. Пропеллеры применяются в авиации, судоходстве (гребные винты), а также в вентиляторах, ветроэнергетике и ряде других областей.

¶Принцип действия

Работа пропеллера основана на третьем законе Ньютона и аэродинамике профиля крыла. Лопасть имеет несимметричный профиль: при обтекании воздухом на её верхней (выпуклой) поверхности давление падает, а на нижней (более плоской) растёт. Возникающая разность давлений создаёт подъёмную силу, направленную перпендикулярно набегающему потоку. Поскольку лопасть установлена под углом к плоскости вращения, эта сила раскладывается на две составляющие: тягу, направленную вдоль оси винта, и силу сопротивления вращению, преодолеваемую двигателем.

Ключевые характеристики винта:

Диаметр — определяет охватываемую площадь и, следовательно, объём отбрасываемого воздуха.
Шаг — расстояние, на которое винт продвинулся бы за один оборот в идеально твёрдой среде без скольжения.
Число лопастей — от двух до восьми и более; влияет на тягу, шум и вибрации.
Угол установки лопасти — угол между хордой профиля и плоскостью вращения.

¶История

Прообразом пропеллера считается архимедов винт — устройство для подъёма воды, описанное ещё в античности. Идею использовать вращающийся винт для движения по воздуху высказывал Леонардо да Винчи (около 1483 года) в наброске «воздушного винта». В 1754 году российский учёный Михаил Ломоносов построил модель «аэродинамической машины» с двумя винтами, вращаемыми часовой пружиной, — одну из первых демонстраций подъёмной силы винта.

Практическое применение воздушный винт получил в XIX веке. В 1836 году Фрэнсис Смит и независимо от него Джон Эрикссон запатентовали гребной винт для судов, вытеснивший гребные колёса. В 1863 году российский изобретатель Александр Лодыгин предложил проект винтокрылого аппарата. Первый управляемый полёт самолёта с винтовым движителем совершили братья Райт в 1903 году. В 1910-х годах российский учёный Николай Жуковский разработал вихревую теорию винта, а его ученик Владимир Ветчинкин — практические методы расчёта.

¶Классификация

Пропеллеры различают по ряду признаков.

По назначению:

воздушные винты летательных аппаратов;
гребные винты судов;
вентиляторные и промышленные крыльчатки;
ветроколёса (в режиме, обратном движителю, — как приёмник энергии).

По управляемости:

фиксированного шага — простейшие, с неизменным углом лопастей;
изменяемого шага (ВИШ) — позволяют менять угол установки в полёте, поддерживая оптимальный режим работы двигателя;
автоматические — с регулятором постоянных оборотов;
реверсивные — способные создавать обратную тягу.

По расположению:

тянущие (перед двигателем);
толкающие (за двигателем);
соосные (два винта на одной оси, вращающиеся навстречу друг другу);
тандемные.

¶Применение

В авиации пропеллер остаётся основным движителем для лёгких и средних самолётов, вертолётов (несущий и рулевой винты), автожиров, а также беспилотных летательных аппаратов. Винтовые самолёты экономичны на малых и средних скоростях, поэтому используются в региональной и сельскохозяйственной авиации. На скоростях свыше 700–800 км/ч КПД винта резко падает из-за волнового кризиса, и его вытесняют реактивные двигатели.

В судоходстве гребной винт — главный движитель большинства судов, от малых катеров до крупных танкеров. В энергетике лопасти ветрогенераторов по принципу действия родственны пропеллеру, но работают в обратном режиме: поток воздуха вращает винт, а не наоборот. В быту и промышленности пропеллер лежит в основе вентиляторов, воздушных насосов, систем охлаждения.

¶Особенности и ограничения

Основные проблемы винтовых движителей — шум, вибрации и ограничение по скорости набегающего потока. На концах лопастей возникает концевой вихрь, снижающий КПД. Для борьбы с этим применяют саблевидные (стреловидные) лопасти, увеличивают их число, используют соосные схемы. Материалы лопастей — дерево (исторически), алюминиевые сплавы, композиты на основе углеволокна. Соосные винты позволяют снять большую мощность с меньшего диаметра и уравновесить реактивный момент.

¶Пропеллер в культуре и технике

Слово «пропеллер» вошло в бытовую речь как обозначение любого винтового движителя, включая игрушечные вертушки и вентиляторы. В авиамоделизме и дроностроении подбор винта по диаметру и шагу — ключевая задача настройки аппарата. В инженерии пропеллер остаётся примером удачного компромисса между простотой конструкции и эффективностью преобразования энергии.

Источники: учебники по аэродинамике (Н. Е. Жуковский, В. П. Ветчинкин), технические энциклопедии, справочники по авиационным и судовым движителям, материалы по истории авиации.