Helikopterit
Lennon ja toiminnan periaatteet
Toisin kuin kiinteäsiipisten lentokoneiden, helikopterin pääasiallinen siipipyörä on sen rungon päälle asennettu pyörivä siipikokoonpano (roottori), joka on kiinnitetty nivelletylle akselille (masto), joka on yhteydessä ajoneuvon moottoriin ja ohjaukseen. Lentokoneisiin verrattuna helikopterin pyrstö on jonkin verran pidempi ja peräsin pienempi; pyrstö on varustettu pienellä vääntöä estävällä roottorilla (pyrstöroottori). Laskuteline koostuu joskus pyöräkokoonpanojen sijaan luistinpareista.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© Avoin yliopisto (Britannica Publishing Partner)Katso kaikki tämän artikkelin videot
Se, että helikopteri saa nostovoimansa pyörivällä siivekkeellä (roottorilla), mutkistaa huomattavasti sen lentoon vaikuttavia tekijöitä, sillä roottori ei ainoastaan pyöri, vaan se liikkuu myös ylös- ja alaspäin räpyttelevällä liikkeellä, ja siihen vaikuttaa myös itse helikopterin vaakasuora tai pystysuora liike. Toisin kuin tavanomaiset lentokoneiden siipiprofiilit, helikopterin roottorin siipiprofiilit ovat yleensä symmetrisiä. Roottorin sointulinja on siiven sointulinjan tavoin kuvitteellinen viiva, joka vedetään siiven etureunasta siiven takareunaan.
Suhteellinen tuuli on tuulen suunta suhteessa siipeen. Lentokoneessa siiven lentorata on kiinteä suhteessa sen eteenpäin suuntautuvaan lentoon; helikopterissa roottorin lentorata etenee eteenpäin (helikopterin nokkaan) ja sitten taaksepäin (helikopterin pyrstöön) sen ympyräliikkeen aikana. Suhteellisen tuulen katsotaan aina olevan samansuuntainen ja vastakkaiseen suuntaan lentoradan kanssa. Kun tarkastellaan helikopterin lentoa, suhteelliseen tuuleen voivat vaikuttaa lapojen pyöriminen, helikopterin vaakasuora liike, roottorin lapojen räpyttely sekä tuulen nopeus ja suunta. Lennossa suhteellinen tuuli on roottorin lapojen pyörimisen ja helikopterin liikkeen yhdistelmä.
Potkurin tavoin roottorilla on nousukulma, joka on roottorilevyn vaakasuuntaisen pyörimistason ja siipilevyn sordilinjan välinen kulma. Ohjaaja käyttää kollektiivista ja syklistä nousukulman säätöä (ks. jäljempänä) tämän nousukulman muuttamiseen. Kiinteäsiipisessä lentokoneessa nousukulma (siiven kulma suhteessa suhteelliseen tuuleen) on tärkeä nostovoiman määrittämisessä. Sama pätee helikopterissa, jossa kohtauskulma on kulma, jossa suhteellinen tuuli kohtaa roottorin lavan sointulinjan.
Kohtauskulma ja nousukulma ovat kaksi erillistä tilaa. Roottorin lavan nousukulman muuttaminen muuttaa sen kohtauskulmaa ja siten sen nostovoimaa. Suurempi nousukulma (sakkauspisteeseen asti) lisää nostetta; pienempi nousukulma vähentää sitä. Roottorin yksittäisten lapojen nousukulmia säädetään erikseen.
Roottorin nopeus säätelee myös nostetta – mitä korkeampi kierrosluku minuutissa (rpm), sitä suurempi noste. Ohjaaja pyrkii kuitenkin yleensä pitämään roottorin kierrosluvun vakiona ja muuttaa nostovoimaa muuttamalla kohtauskulmaa.
Kuten kiinteäsiipisten lentokoneiden kohdalla, ilman tiheys (ilman lämpötilan, kosteuden ja paineen tulos) vaikuttaa helikopterin suorituskykyyn. Mitä suurempi tiheys, sitä enemmän nostovoimaa syntyy; mitä pienempi tiheys, sitä vähemmän nostovoimaa syntyy. Aivan kuten kiinteäsiipisissä lentokoneissa, nostovoiman muutos johtaa myös vastuksen muutokseen. Kun nostovoimaa lisätään kasvattamalla nousukulmaa ja siten kohtauskulmaa, vastus kasvaa ja hidastaa roottorin kierroslukua. Tällöin tarvitaan lisää tehoa halutun kierrosluvun ylläpitämiseksi. Vaikka helikopteriin vaikuttavat tavanomaisen lentokoneen tavoin nostovoiman, työntövoiman, painon ja vastuksen voimat, sen lentotapa aiheuttaa lisävaikutuksia.
Helikopterissa roottorin tuottamat nostovoiman ja työntövoiman kokonaisvoimat kohdistuvat kohtisuoraan roottorin pyörimistasoon nähden. Kun helikopteri leijuu tuulettomassa tilassa, roottorin pyörimistaso (kärkipolun taso) on samansuuntainen maanpinnan kanssa, ja paino- ja vastusvoimien summa on täsmälleen tasapainossa työntö- ja nostovoimien summan kanssa. Pystysuorassa lennossa painon ja vastuksen komponentit yhdistyvät yhdeksi vektoriksi, joka suuntautuu suoraan alaspäin; nosto- ja työntövoiman komponentit yhdistyvät yhdeksi vektoriksi, joka suuntautuu suoraan ylöspäin. Eteenpäin suuntautuvan lennon saavuttamiseksi helikopterissa roottorin pyörimistaso kallistetaan eteenpäin. (On ymmärrettävä, että helikopterin roottorimasto ei kallistu, vaan pikemminkin yksittäisten roottorin lapojen kallistuskulmaa pyörimistasossa muutetaan). Sivuttaislentoa varten roottorin pyörimistasoa kallistetaan haluttuun suuntaan. Takaperin lentoa varten roottorin pyörimistasoa kallistetaan taaksepäin.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Koska roottori on voimanlähteenä, syntyy yhtä suuri ja vastakkainen vääntömomenttireaktio, joka pyrkii pyörittämään rungon roottorin vastakkaiseen suuntaan. Tätä vääntömomenttia kompensoi rungon päässä sijaitseva pyrstöroottori (antitorque-roottori). Ohjaaja ohjaa pyrstöroottorin työntövoimaa jalkapolkimilla ja neutralisoi vääntömomentin tarpeen mukaan.
Helikopteriin kohdistuu muitakin voimia, joita ei esiinny tavanomaisissa lentokoneissa. Näihin kuuluu roottorin gyroskooppinen prekessiovaikutus – eli helikopterin etenemisliikkeen aiheuttama nostovoiman epäsymmetria, joka johtaa siihen, että etenevällä siivellä on enemmän nostovoimaa ja perääntyvällä siivellä vähemmän. Tämä johtuu siitä, että etenevän lavan nopeus muodostuu lavan nopeuden ja helikopterin nopeuden yhdistelmästä eteenpäin suuntautuvassa lennossa, kun taas vetäytyvän lavan nopeus muodostuu lavan nopeuden ja helikopterin nopeuden erotuksesta. Tämä nopeusero aiheuttaa eron nosteessa – etenevä lapa liikkuu nopeammin ja tuottaa siten enemmän nostetta. Hallitsemattomasti tämä johtaisi helikopterin pyörimiseen. Nostovoimaeroa kompensoidaan kuitenkin lavan räpyttelyllä ja syklisellä höyhentämisellä (nousukulman muuttamisella). Koska lavat on kiinnitetty roottorin napaan vaakasuuntaisilla räpyttelevillä saranoilla, jotka mahdollistavat niiden liikkeen pystysuorassa tasossa, etenevä lapa räpyttää ylöspäin, jolloin sen kohtauskulma pienenee, kun taas vetäytyvä lapa räpyttää alaspäin, jolloin sen kohtauskulma kasvaa. Tämä vaikutusten yhdistelmä tasoittaa nostetta. (Lavat on myös kiinnitetty napaan pystysuuntaisella saranalla, jonka avulla kukin lapa voi liikkua edestakaisin pyörimistasossa. Pystysarana vaimentaa tärinää ja vaimentaa kiihtyvyyden tai hidastuvuuden vaikutusta). Lisäksi eteenpäin suuntautuvassa lennossa syklisen korkeussäädön asento aiheuttaa samanlaisen vaikutuksen, joka osaltaan tasoittaa nostovoimaa.
Muita helikopteriin vaikuttavia voimia ovat mm. coning eli keskipakovoiman aiheuttama lapojen taivutus ylöspäin, Coriolis-ilmiö eli lapojen kiihtyvyys tai hidastuvuus, joka aiheutuu siitä, että räpyttelyliike vie lavat lähemmäs (kiihtyvyys) tai kauemmas (hidastuvuus) pyörimisakselista, ja drift eli pyrstöroottorin työntövoiman taipumus liikuttaa helikopteria leijuessa.