Helikopterek
Repülés és működés alapelvei
A merevszárnyú repülőgépekkel ellentétben a helikopter fő szárnyszerkezete a törzs tetején egy csuklós tengelyre (árbocra) szerelt forgó lapátegység (rotor), amely a jármű motorjával és a repülésirányítással van összekötve. A repülőgépekhez képest a helikopter farka némileg megnyúlt, a kormánylapát pedig kisebb; a farok egy kis nyomatékgátló rotorral (farokrotor) van felszerelve. A futómű néha nem kerékszerelvényekből, hanem csúszópárból áll.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)See all videos for this article
Az a tény, hogy a helikopter a felhajtóerejét egy forgó szárnyszelvény (a rotor) segítségével nyeri, nagyban bonyolítja a repülését befolyásoló tényezőket, mivel a rotor nemcsak forog, hanem csapkodva fel-le mozog, és magának a helikopternek a vízszintes vagy függőleges mozgása is befolyásolja. A szokásos repülőgépek szárnyprofiljaitól eltérően a helikopterek rotorszárnyai általában szimmetrikusak. A rotor húrvonala, akárcsak a szárny húrvonala, egy képzeletbeli vonal, amely a szárnyprofil elülső élétől a hátulsó éléig húzódik.
A relatív szél a szél iránya a szárnyprofilhoz képest. Repülőgépben a szárny repülési pályája az előrerepüléshez képest rögzített; helikopterben a rotor repülési pályája körkörös mozgása során előre (a helikopter orrához), majd hátra (a helikopter farához) halad előre. A relatív szelet mindig a repülési úttal párhuzamos és ellentétes irányúnak tekintjük. A helikopter repülését figyelembe véve a relatív szelet befolyásolhatja a lapátok forgása, a helikopter vízszintes mozgása, a rotorlapátok csapkodása, valamint a szél sebessége és iránya. Repülés közben a relatív szél a rotorlapát forgásának és a helikopter mozgásának kombinációja.
A légcsavarhoz hasonlóan a rotornak is van állásszöge, amely a rotorlapát vízszintes forgási síkja és a szárnyprofil akkordvonala közötti szög. A pilóta a kollektív és ciklikus állásszögvezérléssel (lásd alább) változtatja ezt az állásszöget. A merevszárnyú repülőgépeknél a felhajtóerő meghatározásában fontos a támadási szög (a szárnynak a relatív szélhez viszonyított szöge). Ugyanez igaz a helikopterre is, ahol a támadási szög az a szög, amelyben a relatív szél találkozik a rotorlapát akkordvonalával.
A támadási szög és a dőlésszög két különböző állapot. A rotorlapát állásszögének változtatása megváltoztatja a rotorlapát támadási szögét és ezáltal a felhajtóerejét. A nagyobb állásszög (az elakadási pontig) növeli a felhajtóerőt; az alacsonyabb állásszög csökkenti azt. A rotor egyes lapátjainak állásszögét külön-külön lehet beállítani.
A rotor fordulatszáma is szabályozza a felhajtóerőt – minél magasabb a percenkénti fordulatszám (rpm), annál nagyobb a felhajtóerő. A pilóta azonban általában igyekszik állandó rotorfordulatszámot tartani, és a felhajtóerőt a támadási szög változtatásával változtatja.
A merevszárnyú repülőgépekhez hasonlóan a levegő sűrűsége (a levegő hőmérsékletének, páratartalmának és nyomásának eredménye) befolyásolja a helikopter teljesítményét. Minél nagyobb a sűrűség, annál több felhajtóerő keletkezik; minél kisebb a sűrűség, annál kevesebb felhajtóerő keletkezik. A merevszárnyú repülőgépekhez hasonlóan a felhajtóerő változása a légellenállás változását is eredményezi. Ha a felhajtóerőt a dőlésszög és ezáltal a támadási szög növelésével növeljük, a légellenállás megnő, és lelassítja a rotor fordulatszámát. Ekkor további teljesítményre lesz szükség a kívánt fordulatszám fenntartásához. Így, bár a helikopterre a hagyományos repülőgépekhez hasonlóan hatnak a felhajtóerő, a tolóerő, a tömeg és a légellenállás erői, a repülési módja további hatásokat idéz elő.
A helikopterben a rotor által létrehozott összes felhajtó- és tolóerő a forgási síkjára merőlegesen hat. Amikor a helikopter szélcsendes állapotban lebeg, a rotor forgási síkja (a csúcspálya síkja) párhuzamos a talajjal, és a súly- és légellenállási erők összegét pontosan kiegyenlíti a toló- és felhajtóerők összege. Függőleges repülés esetén a súly és a légellenállás összetevői egyetlen vektorban egyesülnek, amely egyenesen lefelé irányul; a felhajtóerő és a tolóerő összetevői egyetlen vektorban egyesülnek, amely egyenesen felfelé irányul. A helikopter előrerepülésének eléréséhez a rotor forgási síkja előrefelé dől. (Meg kell érteni, hogy a helikopter forgórúdja nem billen, hanem a forgási síkban lévő egyes rotorlapátok dőlésszöge változik). Oldalirányú repülés esetén a rotor forgási síkja a kívánt irányba billen. Hátrafelé repülés esetén a rotor forgási síkját hátrafelé billentik.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Mivel a rotor meghajtott, azonos és ellentétes nyomatéki reakció lép fel, amely a törzset a rotorral ellentétes irányba igyekszik forgatni. Ezt a nyomatékot ellensúlyozza a törzs végén található farokrotor (antitorque rotor). A pilóta lábpedálok segítségével szabályozza a farokrotor tolóerejét, szükség szerint semlegesítve a nyomatékot.
A helikopterre más erők is hatnak, amelyek a hagyományos repülőgépekben nem találhatók meg. Ezek közé tartozik a rotor giroszkópos precessziós hatása – vagyis a helikopter előrehaladása által létrehozott felhajtóerő disszimmetriája, ami azt eredményezi, hogy az előrehaladó lapátnak nagyobb, a hátráló lapátnak pedig kisebb a felhajtóereje. Ez azért következik be, mert az előrehaladó lapát a lapát sebességének és a helikopter sebességének kombinált sebességével repül előrefelé, míg a visszahúzódó lapát a lapát sebessége és a helikopter sebessége közötti különbséggel rendelkezik. Ez a sebességkülönbség a felhajtóerő különbségét okozza – az előrehaladó lapát gyorsabban mozog, és ezért nagyobb felhajtóerőt generál. Ellenőrizetlenül ez a helikopter gurulását eredményezné. A felhajtóerő-különbséget azonban a lapát csapkodása és a ciklikus feathering (a dőlésszög változtatása) kompenzálja. Mivel a lapátok vízszintes csapkodó csuklókkal vannak a rotortengelyhez rögzítve, amelyek lehetővé teszik a függőleges síkban történő mozgást, az előrehaladó lapát felfelé csapkod, csökkentve a támadási szöget, míg a visszahúzódó lapát lefelé csapkod, növelve a támadási szöget. Ez a hatáskombináció kiegyenlíti a felhajtóerőt. (A lapátok szintén függőleges csuklóval kapcsolódnak az orsócsaphoz, ami lehetővé teszi, hogy az egyes lapátok a forgási síkban előre-hátra mozogjanak. A függőleges csukló tompítja a rezgéseket és elnyeli a gyorsulás vagy lassulás hatását). Ezenkívül előremenő repülésben a ciklikus dőlésszögvezérlő helyzete hasonló hatást okoz, hozzájárulva a felhajtóerő kiegyenlítéséhez.
A helikopterekre ható egyéb erők közé tartozik a kúposodás, a centrifugális erő által a lapátokra gyakorolt felfelé hajló hatás; a Coriolis-hatás, a lapátok gyorsulása vagy lassulása, amelyet a csapkodó mozgás okoz, amely közelebb (gyorsulás) vagy távolabb (lassulás) viszi őket a forgástengelyhez; és a sodródás, a farokrotor tolóerejének a helikoptert lebegésben elmozdító hajlama.