Helikopters

Het feit dat de helikopter zijn liftkracht verkrijgt door middel van een roterend vleugelprofiel (de rotor) maakt de factoren die van invloed zijn op zijn vlucht aanzienlijk ingewikkelder, want de rotor draait niet alleen, maar beweegt ook op en neer in een wapperende beweging en wordt beïnvloed door de horizontale of verticale beweging van de helikopter zelf. In tegenstelling tot de gebruikelijke vliegtuig-airfoils zijn de rotor-airfoils van helikopters gewoonlijk symmetrisch. De koordelijn van een rotor is, net als de koordelijn van een vleugel, een denkbeeldige lijn getrokken van de voorrand naar de achterrand van het aërodynamische vlak.

De relatieve wind is de richting van de wind ten opzichte van het aërodynamische vlak. In een vliegtuig ligt de vliegbaan van de vleugel vast ten opzichte van zijn voorwaartse vlucht; in een helikopter gaat de vliegbaan van de rotor tijdens zijn cirkelvormige beweging naar voren (naar de neus van de helikopter) en vervolgens naar achteren (naar de staart van de helikopter). De relatieve wind wordt altijd geacht parallel te lopen aan en tegengesteld te zijn aan de vliegbaan. Bij het beschouwen van de helikoptervlucht kan de relatieve wind worden beïnvloed door de rotatie van de bladen, de horizontale beweging van de helikopter, het klapperen van de rotorbladen, en de windsnelheid en -richting. Tijdens de vlucht is de relatieve wind een combinatie van de rotatie van het rotorblad en de beweging van de helikopter.

Net als een propeller heeft de rotor een spoedhoek, dat is de hoek tussen het horizontale rotatievlak van de rotorschijf en de koordelijn van het vleugelprofiel. De piloot gebruikt de collectieve en cyclische neusstandregeling (zie hieronder) om deze neusstand te variëren. In een vliegtuig met vaste vleugels is de invalshoek (de hoek van de vleugel ten opzichte van de relatieve wind) belangrijk voor het bepalen van de lift. Hetzelfde geldt voor een helikopter, waar de invalshoek de hoek is waarin de relatieve wind de koordelijn van het rotorblad raakt.

Aanvalshoek en neusstandhoek zijn twee verschillende voorwaarden. Door de hoek van de spoed van een rotorblad te variëren, verandert de invalshoek en daarmee de lift. Een hogere spoedhoek (tot het punt van overtrekken) zal de lift vergroten; een lagere spoedhoek zal deze verkleinen. De individuele bladen van een rotor hebben hun spoedhoek afzonderlijk ingesteld.

De snelheid van de motor regelt ook de lift – hoe hoger het aantal omwentelingen per minuut (tpm), hoe hoger de lift. De piloot zal echter in het algemeen proberen het toerental van de rotor constant te houden en zal de liftkracht veranderen door de invalshoek te variëren.

Zoals bij vliegtuigen met vaste vleugels beïnvloedt de luchtdichtheid (het resultaat van luchttemperatuur, luchtvochtigheid en luchtdruk) de helikopterprestaties. Hoe hoger de dichtheid, hoe meer lift er wordt opgewekt; hoe lager de dichtheid, hoe minder lift er wordt opgewekt. Net als in vliegtuigen met vaste vleugels, leidt een verandering in lift ook tot een verandering in luchtweerstand. Wanneer de lift toeneemt door het vergroten van de hoek van de neusstand en dus de invalshoek, zal de weerstand toenemen en het toerental van de rotor vertragen. Er zal dan extra vermogen nodig zijn om het gewenste toerental te handhaven. Hoewel een helikopter dus net als een conventioneel vliegtuig wordt beïnvloed door de krachten van lift, stuwkracht, gewicht en weerstand, veroorzaakt zijn vliegmodus extra effecten.

In een helikopter worden de totale lift- en stuwkracht die door de rotor wordt opgewekt, uitgeoefend loodrecht op het rotatievlak van de rotor. Wanneer een helikopter zweeft in een windstille toestand, is het rotatievlak van de rotor (het tip-path vlak) evenwijdig aan de grond, en is de som van de gewichts- en trekkrachten precies in evenwicht met de som van de stuwkracht en de liftkrachten. In verticale vlucht worden de componenten van gewicht en weerstand gecombineerd in een enkele vector die recht naar beneden is gericht; de componenten van lift en stuwkracht worden gecombineerd in een enkele vector die recht naar boven is gericht. Om een voorwaartse vlucht in een helikopter te bereiken, wordt het rotatievlak van de rotor naar voren gekanteld. (Het moet duidelijk zijn dat de rotormast van de helikopter niet kantelt, maar dat de individuele rotorbladen binnen het rotatievlak hun hellingshoek hebben gevarieerd). Voor zijwaartse vlucht wordt het rotatievlak van de rotor gekanteld in de gewenste richting. Voor achterwaartse vlucht wordt het rotatievlak van de rotor naar achteren gekanteld.

Omdat de rotor wordt aangedreven, is er een reactie met een gelijk en tegengesteld koppel, dat de romp in een richting tegengesteld aan die van de rotor pleegt te draaien. Dit koppel wordt gecompenseerd door de staartrotor (antikoppelrotor) die zich aan het uiteinde van de romp bevindt. De piloot regelt de stuwkracht van de staartrotor door middel van voetpedalen, waardoor het koppel naar behoefte wordt geneutraliseerd.

Er zijn nog andere krachten die op een helikopter werken die niet in een conventioneel vliegtuig worden aangetroffen. Deze omvatten het gyroscopische precessie-effect van de rotor – dat wil zeggen, de dissymmetrie van lift die ontstaat door de voorwaartse beweging van de helikopter, waardoor het oprukkende blad meer lift heeft en het terugtrekkende blad minder. Dit komt doordat het oprukkende blad een gecombineerde snelheid heeft van de snelheid van het blad en de snelheid van de helikopter in voorwaartse vlucht, terwijl het terugtrekkende blad het verschil heeft tussen de snelheid van het blad en de snelheid van de helikopter. Dit verschil in snelheid veroorzaakt een verschil in lift – het voorwaartse blad beweegt sneller en genereert dus meer lift. Indien ongecontroleerd, zou dit resulteren in het rollen van de helikopter. Het verschil in lift wordt echter gecompenseerd door het klapperen van de bladen en door cyclisch veren (het veranderen van de neusstand). Omdat de bladen met horizontaal klapperende scharnieren aan een rotornaaf zijn bevestigd, waardoor ze in een verticaal vlak kunnen bewegen, klapt het oprukkende blad omhoog, waardoor de invalshoek kleiner wordt, terwijl het terugtrekkende blad omlaag klapt, waardoor de invalshoek groter wordt. Deze combinatie van effecten egaliseert de lift. (De bladen zijn ook met een verticaal scharnier aan de naaf bevestigd, waardoor elk blad in het rotatievlak heen en weer kan bewegen. Het verticale scharnier dempt de trillingen en absorbeert het effect van versnelling of vertraging). Bovendien, in voorwaartse vlucht, veroorzaakt de positie van de cyclische hoogteroercontrole een gelijkaardig effect, dat bijdraagt tot de egalisatie van lift.

Andere krachten die op helikopters werken zijn coning, het opwaartse buigende effect op de bladen veroorzaakt door de middelpuntvliedende kracht; het Coriolis-effect, de versnelling of vertraging van de bladen veroorzaakt door de slagbeweging waardoor ze dichter bij (versnelling) of verder weg van (vertraging) de rotatie-as komen; en drift, de neiging van de staartrotorstuwkracht om de helikopter in hover te verplaatsen.