Helikoptrar
Principer för flygning och drift
Till skillnad från flygplan med fasta vingar är helikopterns huvudflygplan det roterande bladet (rotorn) som är monterat ovanpå flygplanskroppen på en ledad axel (mast) som är kopplad till fordonets motor och flygkontroller. Jämfört med flygplan är helikopterns stjärtparti något längre och roderet mindre; stjärtpartiet är försett med en liten rotor som motverkar vridmoment (stjärtrotor). Landningsstället består ibland av ett par skidor i stället för hjuluppsättningar.
Encyclopædia Britannica, Inc.
© Open University (A Britannica Publishing Partner)Se alla videor till den här artikeln
Det faktum att helikoptern får sin lyftkraft med hjälp av ett roterande flygblad (rotorn) komplicerar kraftigt de faktorer som påverkar dess flygning, för rotorn vrider sig inte bara, utan rör sig också uppåt och nedåt i en slagrörelse och påverkas av själva helikopterns horisontella eller vertikala rörelse. Till skillnad från de vanliga flygplansprofilerna för flygplan är helikopterrotorernas flygplansprofiler vanligtvis symmetriska. En rotors ackordlinje är, liksom en vings ackordlinje, en tänkt linje som dras från framkant till bakkant på flygkroppen.
Den relativa vinden är vindens riktning i förhållande till flygkroppen. I ett flygplan är vingens flygbana fast i förhållande till dess framåtgående flygning; i en helikopter går rotorns flygbana framåt (till helikopterns nos) och sedan bakåt (till helikopterns stjärt) i samband med dess cirkelrörelse. Relativ vind anses alltid vara i parallell och motsatt riktning till flygbanan. Vid helikopterflygning kan den relativa vinden påverkas av bladens rotation, helikopterns horisontella rörelse, rotorbladens slag samt vindhastighet och vindriktning. Under flygning är den relativa vinden en kombination av rotorbladens rotation och helikopterns rörelse.
Likt en propeller har rotorn en stigningsvinkel, som är vinkeln mellan rotorskivans horisontella rotationsplan och den flygplansformiga sidolinjen. Piloten använder den kollektiva och cykliska pitchkontrollen (se nedan) för att variera denna pitchvinkel. I ett flygplan med fasta vingar är anfallsvinkeln (vingens vinkel i förhållande till den relativa vinden) viktig för att bestämma lyftkraften. Detsamma gäller i en helikopter, där anfallsvinkeln är den vinkel där den relativa vinden möter rotorbladets chordlinje.
Anfallsvinkel och lutningsvinkel är två olika förhållanden. Genom att variera ett rotorblads stigningsvinkel ändras dess angreppsvinkel och därmed dess lyftkraft. En högre stigningsvinkel (fram till stallpunkten) ökar lyftet, en lägre stigningsvinkel minskar det. Enskilda blad i en rotor har sina stigningsvinklar justerade individuellt.
Rotorhastigheten styr också lyftet – ju högre varvtal per minut (rpm), desto högre lyftkraft. Piloten försöker dock i allmänhet hålla ett konstant rotorvarvtal och ändrar lyftkraften genom att variera anfallsvinkeln.
Som för flygplan med fasta vingar påverkar lufttätheten (resultatet av lufttemperatur, luftfuktighet och lufttryck) helikopterns prestanda. Ju högre densitet, desto mer lyftkraft genereras; ju lägre densitet, desto mindre lyftkraft genereras. Precis som i flygplan med fasta vingar resulterar en förändring i lyftkraft också i en förändring i luftmotstånd. När lyftet ökar genom att man förstorar lutningsvinkeln och därmed anfallsvinkeln, kommer luftmotståndet att öka och göra rotorns varvtal långsammare. Ytterligare effekt kommer då att krävas för att bibehålla ett önskat varvtal. Även om en helikopter påverkas som ett konventionellt flygplan av krafterna lyft, dragkraft, vikt och luftmotstånd, ger dess flygningssätt ytterligare effekter.
I en helikopter utövas de totala lyft- och dragkrafter som genereras av rotorn vinkelrätt mot dess rotationsplan. När en helikopter svävar i ett vindstilla tillstånd är rotorns rotationsplan (spetsbanplanet) parallellt med marken, och summan av vikt- och dragkrafterna balanseras exakt av summan av drag- och lyftkrafterna. Vid vertikal flygning kombineras vikt- och dragkraftskomponenterna i en enda vektor som är riktad rakt nedåt; lyft- och dragkraftskomponenterna kombineras i en enda vektor som är riktad rakt uppåt. För att uppnå framåtriktad flygning i en helikopter tippas rotorns rotationsplan framåt. (Det bör förstås att helikopterns rotormast inte tippar, utan att de enskilda rotorbladen inom rotationsplanet får sin lutningsvinkel varierad). För sidoflygning lutas rotorns rotationsplan i önskad riktning. För bakåtflygning lutas rotorns rotationsplan bakåt.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Då rotorn är drivande finns det en lika stor och motsatt vridmomentreaktion, som tenderar att rotera flygkroppen i motsatt riktning mot rotorn. Detta vridmoment kompenseras av stjärtrotorn (anti-momentrotorn) som är placerad i slutet av flygkroppen. Piloten styr stjärtrotorns dragkraft med hjälp av fotpedaler och neutraliserar vridmomentet vid behov.
Det finns andra krafter som verkar på en helikopter och som inte finns i ett konventionellt flygplan. Dessa inkluderar rotorns gyroskopiska precessionseffekt – det vill säga den dissymmetri av lyftkraft som skapas av helikopterns framåtrörelse, vilket resulterar i att det framskjutande bladet har mer lyftkraft och det återgående bladet mindre. Detta beror på att det framskjutande bladet har en kombinerad hastighet av bladets hastighet och helikopterns hastighet i framåtgående flygning, medan det återgående bladet har skillnaden mellan bladets hastighet och helikopterns hastighet. Denna skillnad i hastighet orsakar en skillnad i lyftkraft – det framskjutande bladet rör sig snabbare och genererar därför mer lyftkraft. Om detta inte kontrolleras skulle det leda till att helikoptern rullar. Skillnaden i lyftkraft kompenseras dock genom att bladet flaxar och genom cyklisk fjädring (ändring av lutningsvinkeln). Eftersom bladen är fästa vid rotorns nav med horisontella slagfästen, vilket gör det möjligt för dem att röra sig i ett vertikalt plan, slår det framskjutande bladet uppåt, vilket minskar dess angreppsvinkel, medan det återgående bladet slår nedåt, vilket ökar dess angreppsvinkel. Denna kombination av effekter utjämnar lyftkraften. (Bladen är också fästa vid navet med ett vertikalt gångjärn, vilket gör det möjligt för varje blad att röra sig fram och tillbaka i rotationsplanet. Det vertikala gångjärnet dämpar vibrationer och absorberar effekten av acceleration och retardation). Vid framåtflygning orsakar dessutom läget för den cykliska pitchkontrollen en liknande effekt, vilket bidrar till utjämningen av lyftkraften.
Andra krafter som verkar på helikoptrar omfattar koning, den uppåtriktade böjningseffekten på bladen som orsakas av centrifugalkraften, Corioliseffekten, bladens acceleration eller retardation som orsakas av flaxrörelsen som för dem närmare (acceleration) eller längre bort (retardation) från rotationsaxeln, och drift, stjärtrotorns dragkrafts tendens att förflytta helikoptern i svävande läge.