Elicoptere
Principii de zbor și operare
Spre deosebire de aeronavele cu aripă fixă, profilul principal al elicopterului este ansamblul de pale rotative (rotor) montat deasupra fuselajului său pe un arbore articulat (catarg) conectat la motorul și comenzile de zbor ale vehiculului. În comparație cu avioanele, coada unui elicopter este oarecum alungită, iar cârma este mai mică; coada este prevăzută cu un mic rotor anticuplu (rotor de coadă). Trenul de aterizare constă uneori dintr-o pereche de patine mai degrabă decât din ansambluri de roți.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)See all videos for this article
Faptul că elicopterul își obține puterea de ridicare prin intermediul unui profil de aer în rotație (rotorul) complică foarte mult factorii care îi afectează zborul, deoarece nu numai că rotorul se rotește, dar se mișcă și în sus și în jos într-o mișcare de fluturare și este afectat de mișcarea orizontală sau verticală a elicopterului însuși. Spre deosebire de profilurile obișnuite ale aeronavelor, profilurile rotorilor de elicopter sunt de obicei simetrice. Linia de coardă a unui rotor, ca și linia de coardă a unei aripi, este o linie imaginară trasată de la marginea de atac la marginea de fugă a profilului aerodinamic.
Vântul relativ este direcția vântului în raport cu profilul aerodinamic. La un avion, traiectoria de zbor a aripii este fixă în raport cu zborul înainte; la un elicopter, traiectoria de zbor a rotorului avansează înainte (până la botul elicopterului) și apoi înapoi (până la coada elicopterului) în procesul mișcării sale circulare. Vântul relativ este întotdeauna considerat ca fiind paralel și în sens opus traiectoriei de zbor. Atunci când se ia în considerare zborul cu elicopterul, vântul relativ poate fi afectat de rotația paletelor, de mișcarea orizontală a elicopterului, de bătaia paletelor rotorului, precum și de viteza și direcția vântului. În zbor, vântul relativ este o combinație între rotația palelor rotorului și mișcarea elicopterului.
Ca o elice, rotorul are un unghi de pas, care este unghiul dintre planul orizontal de rotație al discului rotorului și linia de coardă a profilului aerodinamic. Pilotul folosește comanda de pas colectiv și ciclică (a se vedea mai jos) pentru a varia acest unghi de pas. La o aeronavă cu aripă fixă, unghiul de atac (unghiul aripii în raport cu vântul relativ) este important pentru determinarea portanței. Același lucru este valabil și la un elicopter, unde unghiul de atac este unghiul la care vântul relativ întâlnește linia de coardă a palei rotorului.
Angolul de atac și unghiul de tangaj sunt două condiții distincte. Variația unghiului de pas al unei pale de rotor modifică unghiul său de atac și, prin urmare, portanța sa. Un unghi de tangaj mai mare (până la punctul de pierdere) va crește portanța; un unghi de tangaj mai mic o va reduce. Palele individuale ale unui rotor au unghiurile lor de pas reglate individual.
Viteza motorului controlează, de asemenea, portanța – cu cât numărul de rotații pe minut (rpm) este mai mare, cu atât portanța este mai mare. Cu toate acestea, pilotul va încerca, în general, să mențină o turație constantă a rotorului și va modifica forța de portanță prin variația unghiului de atac.
Ca și în cazul aeronavelor cu aripă fixă, densitatea aerului (rezultatul temperaturii, umidității și presiunii aerului) afectează performanțele elicopterului. Cu cât densitatea este mai mare, cu atât mai multă portanță va fi generată; cu cât densitatea este mai mică, cu atât mai puțină portanță va fi generată. La fel ca în cazul aeronavelor cu aripi fixe, o modificare a portanței are ca rezultat și o modificare a rezistenței la înaintare. Atunci când portanța este mărită prin mărirea unghiului de pas și, prin urmare, a unghiului de atac, rezistența la înaintare va crește și va încetini turația rotorului. În acest caz, va fi necesară o putere suplimentară pentru a menține turația dorită. Astfel, în timp ce un elicopter este afectat la fel ca o aeronavă convențională de forțele de portanță, împingere, greutate și rezistență, modul său de zbor induce efecte suplimentare.
Într-un elicopter, forțele totale de portanță și împingere generate de rotor sunt exercitate perpendicular pe planul său de rotație. Atunci când un elicopter plutește în condiții fără vânt, planul de rotație al rotorului (planul traiectoriei vârfului) este paralel cu solul, iar suma forțelor de greutate și de rezistență este exact echilibrată de suma forțelor de împingere și de portanță. În zborul vertical, componentele greutății și rezistenței se combină într-un singur vector care este îndreptat direct în jos; componentele portanței și împingerii se combină într-un singur vector care este îndreptat direct în sus. Pentru a realiza zborul înainte la un elicopter, planul de rotație al rotorului este înclinat înainte. (Trebuie să se înțeleagă că arborele rotorului elicopterului nu se înclină, ci, mai degrabă, palele individuale ale rotorului din planul de rotație își modifică unghiul de pas). Pentru zborul lateral, planul de rotație al rotorului este înclinat în direcția dorită. Pentru zborul spre spate, planul de rotație al rotorului este înclinat spre spate.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Pentru că rotorul este acționat, există o reacție de cuplu egal și opus, care tinde să rotească fuselajul într-o direcție opusă celei a rotorului. Acest cuplu este compensat de rotorul de coadă (rotor anticuplu) situat la capătul fuselajului. Pilotul controlează forța de împingere a rotorului de coadă cu ajutorul unor pedale, neutralizând cuplul după cum este necesar.
Există și alte forțe care acționează asupra unui elicopter și care nu se regăsesc la o aeronavă convențională. Printre acestea se numără efectul de precesie giroscopică a rotorului – adică disimetria de portanță creată de mișcarea de înaintare a elicopterului, ceea ce face ca paleta care avansează să aibă o portanță mai mare, iar cea care se retrage să aibă o portanță mai mică. Acest lucru se întâmplă deoarece paleta care avansează are o viteză combinată a vitezei palei și a vitezei elicopterului în zbor înainte, în timp ce paleta care se retrage are diferența dintre viteza palei și viteza elicopterului. Această diferență de viteză determină o diferență de portanță – lama care avansează se mișcă mai repede și, prin urmare, generează o portanță mai mare. Dacă nu este controlată, această situație ar duce la rostogolirea elicopterului. Cu toate acestea, diferența de portanță este compensată prin flapsul palei și prin înclinarea ciclică (schimbarea unghiului de tangaj). Deoarece paletele sunt atașate de butucul rotorului prin balamale orizontale, care permit mișcarea lor în plan vertical, paleta care avansează bate în sus, scăzându-și unghiul de atac, în timp ce paleta care se retrage bate în jos, crescându-și unghiul de atac. Această combinație de efecte egalizează portanța. (Paletele sunt, de asemenea, atașate de butuc printr-o balama verticală, care permite fiecărei pale să se deplaseze înainte și înapoi în planul de rotație. Balama verticală amortizează vibrațiile și absoarbe efectul de accelerare sau decelerare). În plus, în zborul înainte, poziția comenzii de pas ciclic provoacă un efect similar, contribuind la egalizarea portanței.
Alte forțe care acționează asupra elicopterelor includ conul, efectul de încovoiere în sus a paletelor cauzat de forța centrifugă; efectul Coriolis, accelerarea sau decelerația paletelor cauzată de mișcarea de fluturare care le apropie (accelerare) sau le îndepărtează (decelerație) de axa de rotație; și deriva, tendința împingerii rotorului de coadă de a deplasa elicopterul în staționare.
.