Helicopters
Principles of flight and operation
W przeciwieństwie do samolotów stałopłatowych, głównym płatem śmigłowca jest zespół wirujących łopat (rotor) zamontowany na szczycie kadłuba na zawiasowym wale (maszcie) połączonym z silnikiem pojazdu i elementami sterowania lotem. W porównaniu z samolotami ogon śmigłowca jest nieco wydłużony, a ster mniejszy; ogon jest wyposażony w mały wirnik zapobiegający powstawaniu momentu obrotowego (wirnik ogonowy). Podwozie składa się czasem z pary płóz, a nie z zespołów kół.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Zobacz wszystkie filmy do tego artykułu
Fakt, że śmigłowiec uzyskuje swoją siłę nośną za pomocą obracającego się profilu lotniczego (wirnika) znacznie komplikuje czynniki wpływające na jego lot, ponieważ wirnik nie tylko obraca się, ale również porusza się w górę i w dół w ruchu klapowym i jest pod wpływem poziomego lub pionowego ruchu samego śmigłowca. W przeciwieństwie do typowych profili lotniczych samolotów, profile wirnika śmigłowca są zazwyczaj symetryczne. Linia cięciwy wirnika, podobnie jak linia cięciwy skrzydła, jest urojoną linią poprowadzoną od krawędzi natarcia do krawędzi spływu profilu.
Wiatr względny to kierunek wiatru w stosunku do profilu. W samolocie tor lotu skrzydła jest stały w odniesieniu do jego lotu do przodu; w śmigłowcu tor lotu wirnika przesuwa się do przodu (do nosa śmigłowca), a następnie do tyłu (do ogona śmigłowca) w procesie jego ruchu okrężnego. Względny wiatr jest zawsze uważany za równoległy i przeciwny do toru lotu. W rozważaniach nad lotem śmigłowca, na wiatr względny może mieć wpływ obrót łopat, ruch poziomy śmigłowca, klapanie łopat wirnika oraz prędkość i kierunek wiatru. W locie, wiatr względny jest kombinacją obrotu łopat wirnika i ruchu śmigłowca.
Podobnie jak śmigło, wirnik ma kąt skoku, który jest kątem pomiędzy poziomą płaszczyzną obrotu tarczy wirnika a linią cięciwy profilu lotniczego. Pilot używa zbiorowego i cyklicznego sterowania skokiem (patrz niżej), aby zmieniać ten kąt skoku. W samolotach stałopłatowych, kąt natarcia (kąt skrzydła w stosunku do wiatru względnego) jest ważny dla określenia siły nośnej. To samo dotyczy śmigłowca, gdzie kąt natarcia jest kątem, przy którym wiatr względny spotyka się z linią cięciwy łopaty wirnika.
Kąt natarcia i kąt nachylenia to dwa odrębne warunki. Zmiana kąta nachylenia łopaty wirnika zmienia jego kąt natarcia, a tym samym jego siłę nośną. Wyższy kąt skoku (aż do punktu przeciągnięcia) zwiększy siłę nośną; niższy kąt skoku zmniejszy ją. Poszczególne łopaty wirnika mają swoje kąty skoku regulowane indywidualnie.
Prędkość obrotowa wirnika również kontroluje siłę nośną – im większa liczba obrotów na minutę (rpm), tym większa siła nośna. Jednakże pilot będzie starał się utrzymać stałą prędkość obrotową wirnika i będzie zmieniał siłę nośną poprzez zmianę kąta natarcia.
Tak jak w przypadku samolotów stałopłatowych, gęstość powietrza (wynik temperatury, wilgotności i ciśnienia powietrza) wpływa na osiągi śmigłowca. Im większa gęstość, tym większa siła nośna będzie generowana; im mniejsza gęstość, tym mniejsza siła nośna będzie generowana. Podobnie jak w samolotach stałopłatowych, zmiana siły nośnej powoduje również zmianę oporu powietrza. Gdy siła nośna jest zwiększona poprzez zwiększenie kąta nachylenia, a tym samym kąta natarcia, opór wzrośnie i spowolni obroty wirnika. Do utrzymania pożądanej prędkości obrotowej wymagana będzie dodatkowa moc. Tak więc, choć na śmigłowiec, podobnie jak na konwencjonalny statek powietrzny, oddziałują siły nośne, ciągu, ciężaru i oporu, jego sposób lotu wywołuje dodatkowe efekty.
W śmigłowcu całkowite siły nośne i ciągu generowane przez wirnik są wywierane prostopadle do jego płaszczyzny obrotu. Gdy śmigłowiec zawisa w warunkach bezwietrznych, płaszczyzna obrotu wirnika (płaszczyzna ścieżki końcówki) jest równoległa do ziemi, a suma sił ciężaru i oporu jest dokładnie zrównoważona przez sumę sił ciągu i siły nośnej. W locie pionowym, składowe ciężaru i oporu są połączone w jeden wektor skierowany prosto w dół; składowe siły nośnej i ciągu są połączone w jeden wektor skierowany prosto w górę. Aby osiągnąć lot do przodu w śmigłowcu, płaszczyzna obrotu wirnika jest pochylona do przodu. (Należy rozumieć, że maszt wirnika śmigłowca nie przechyla się, ale raczej poszczególne łopaty wirnika w płaszczyźnie obrotu mają zmieniony kąt nachylenia). Dla lotu bocznego, płaszczyzna obrotu wirnika jest przechylana w pożądanym kierunku. W przypadku lotu do tyłu płaszczyzna obrotu wirnika jest przechylana do tyłu.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Ponieważ wirnik jest napędzany, istnieje równa i przeciwna reakcja momentu obrotowego, która ma tendencję do obracania kadłuba w kierunku przeciwnym do wirnika. Moment ten jest równoważony przez wirnik ogonowy (wirnik przeciwdziałający momentowi obrotowemu) umieszczony na końcu kadłuba. Pilot steruje ciągiem wirnika ogonowego za pomocą pedałów nożnych, neutralizując moment obrotowy w zależności od potrzeb.
Istnieją inne siły działające na śmigłowiec, nie występujące w konwencjonalnym samolocie. Obejmują one efekt precesji żyroskopowej wirnika – czyli asymetrię siły nośnej powstałej w wyniku ruchu śmigłowca do przodu, w wyniku czego łopata postępująca ma większą siłę nośną, a łopata cofająca się mniejszą. Dzieje się tak, ponieważ prędkość łopaty postępującej jest połączeniem prędkości łopaty i prędkości śmigłowca w locie do przodu, podczas gdy łopata cofająca się ma różnicę pomiędzy prędkością łopaty i prędkością śmigłowca. Ta różnica prędkości powoduje różnicę w sile nośnej – łopata postępująca porusza się szybciej i dlatego wytwarza większą siłę nośną. Jeśli nie byłoby to kontrolowane, spowodowałoby to kołysanie śmigłowca. Jednakże, różnica w sile nośnej jest kompensowana przez trzepotanie łopat oraz cykliczną pracę piór (zmiana kąta nachylenia). Ponieważ łopaty są przymocowane do piasty wirnika za pomocą poziomych zawiasów klapowych, które umożliwiają ich ruch w płaszczyźnie pionowej, łopata posuwająca się do przodu klapuje w górę, zmniejszając kąt natarcia, natomiast łopata cofająca się klapuje w dół, zwiększając kąt natarcia. Ta kombinacja efektów wyrównuje siłę nośną. (Łopatki są również przymocowane do piasty za pomocą pionowego zawiasu, który pozwala każdej łopatce poruszać się tam i z powrotem w płaszczyźnie obrotu. Zawias pionowy tłumi drgania i absorbuje efekt przyspieszenia lub hamowania). Ponadto, w locie do przodu, pozycja cyklicznego sterowania skokiem powoduje podobny efekt, przyczyniając się do wyrównania siły nośnej.
Inne siły działające na śmigłowce obejmują stożkowanie, efekt zginania łopat w górę spowodowany siłą odśrodkową; efekt Coriolisa, przyspieszenie lub opóźnienie łopat spowodowane ruchem klapowym przybliżającym je (przyspieszenie) lub oddalającym (opóźnienie) od osi obrotu; oraz znoszenie, tendencję ciągu wirnika ogonowego do przemieszczania śmigłowca w zawisie.