Většina vrtulníků má jeden hlavní rotor, ale k překonání točivého momentu potřebuje samostatný rotor. Toho se dosahuje pomocí rotoru s proměnným sklonem proti kroutícímu momentu nebo ocasního rotoru. S touto konstrukcí se u svého vrtulníku VS-300 spokojil Igor Sikorskij a stala se uznávanou konvencí pro konstrukci vrtulníků, i když se návrhy liší. Při pohledu shora se naprostá většina rotorů vrtulníků otáčí proti směru hodinových ručiček; rotory francouzských a ruských vrtulníků se otáčejí ve směru hodinových ručiček.
Jednoduchý hlavní rotorEdit
U vrtulníku s jedním hlavním rotorem vzniká při otáčení rotoru motorem momentový efekt, který způsobuje otáčení těla vrtulníku v opačném směru než rotor. K eliminaci tohoto jevu je třeba použít nějaký druh protisměrného řízení s dostatečnou rezervou výkonu, aby vrtulník udržel směr a zajistil řízení odklonu. V současnosti se nejčastěji používají tři způsoby řízení: ocasní rotor, Fenestron společnosti Eurocopter (nazývaný také fantail) a NOTAR společnosti MD Helicopters.
Ocasní rotorUpravit
Ocasní rotor je menší rotor namontovaný tak, že se otáčí vertikálně nebo téměř vertikálně na konci ocasu tradičního jednorotorového vrtulníku. Poloha a vzdálenost ocasního rotoru od těžiště mu umožňuje vyvíjet tah ve směru opačném, než je rotace hlavního rotoru, a působit tak proti účinku točivého momentu vytvářeného hlavním rotorem. Ocasní rotory jsou jednodušší než hlavní rotory, protože ke změně tahu vyžadují pouze kolektivní změny sklonu. Stoupání listů ocasního rotoru nastavuje pilot pomocí pedálů proti kroutícímu momentu, které rovněž zajišťují směrové řízení tím, že umožňují pilotovi otáčet vrtulníkem kolem jeho svislé osy, a tím měnit směr, kterým vrtulník míří.
Kanálový ventilátorEdit
Fenestron a FANTAIL jsou ochranné známky pro kanálový ventilátor namontovaný na konci ocasního nosníku vrtulníku a používaný místo ocasního rotoru. Kanálové ventilátory mají osm až osmnáct lopatek uspořádaných v nepravidelných rozestupech tak, aby byl hluk rozložen do různých frekvencí. Kryt je nedílnou součástí pláště letadla a umožňuje vysokou rychlost otáčení; proto může mít kanálový ventilátor menší rozměry než běžný ocasní rotor.
Fenestron byl poprvé použit koncem 60. let na druhém experimentálním modelu SA 340 společnosti Sud Aviation a vyráběn na pozdějším modelu Aérospatiale SA 341 Gazelle. Kromě Eurocopteru a jeho předchůdců byl kanálový ventilátorový ocasní rotor použit také na zrušeném projektu vojenského vrtulníku RAH-66 Comanche americké armády jako FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, zkratka pro NO TAil Rotor, je systém proti kroucení vrtulníku, který eliminuje použití ocasního rotoru u vrtulníku. Ačkoli zdokonalení koncepce trvalo nějakou dobu, systém NOTAR je teoreticky jednoduchý a zajišťuje protitah stejným způsobem, jakým křídlo vyvíjí vztlak pomocí Coandova efektu. Ventilátor s proměnným sklonem je umístěn v zadní části trupu bezprostředně před ocasním nosníkem a je poháněn převodovkou hlavního rotoru. K zajištění boční síly, která působí proti kroutícímu momentu, který vytváří proti směru hodinových ručiček se otáčející hlavní rotor (při pohledu shora na hlavní rotor), tlačí ventilátor s proměnným sklonem vzduchu nízký tlak přes dvě štěrbiny na pravé straně ocasního nosníku, což způsobuje, že stoupavý proud od hlavního rotoru objímá ocasní nosník a vytváří vztlak, a tím i určitou míru protitahu, která je úměrná množství proudu vzduchu od stoupavého proudu rotoru. K tomu se přidává přímý tryskový motor, který rovněž zajišťuje směrové řízení odklonu, a to za přítomnosti pevně umístěného empenáže v blízkosti konce ocasní plochy, který obsahuje vertikální stabilizátory.
Vývoj systému NOTAR se datuje do roku 1975, kdy inženýři společnosti Hughes Helicopters zahájili práce na koncepci. V prosinci 1981 Hughes poprvé zalétal s letounem OH-6A vybaveným systémem NOTAR. Silněji upravený prototyp demonstrátoru poprvé vzlétl v březnu 1986 a úspěšně dokončil program pokročilých letových zkoušek, čímž ověřil systém pro budoucí použití v konstrukci vrtulníků. V současné době existují tři sériové vrtulníky s konstrukcí NOTAR, všechny vyráběné společností MD Helicopters. Tato protitorpédová konstrukce také zvyšuje bezpečnost tím, že eliminuje možnost vstupu personálu do ocasního rotoru.
Předchůdce (svého druhu) tohoto systému existoval v podobě britského vrtulníku Cierva W.9, letounu z konce 40. let 20. století, který využíval chladicí ventilátor pístového motoru k protlačení vzduchu tryskou zabudovanou v ocasním rotoru k potlačení točivého momentu rotoru.
Tip jetsEdit
Hlavní rotor může být poháněn koncovými tryskami. Takový systém může být poháněn vysokotlakým vzduchem dodávaným kompresorem. Vzduch může, ale nemusí být smíchán s palivem a spalován v náporových tryskách, pulzních tryskách nebo raketách. Ačkoli je tato metoda jednoduchá a eliminuje reakci točivého momentu, prototypy, které byly postaveny, mají nižší spotřebu paliva než běžné vrtulníky. S výjimkou špičkových trysek poháněných nespáleným stlačeným vzduchem je velmi vysoká hladina hluku nejdůležitějším důvodem, proč se rotory poháněné špičkovými tryskami široce neprosadily. Probíhá však výzkum v oblasti potlačení hluku, který může přispět k tomu, aby se tento systém stal životaschopným.
Existuje několik příkladů rotorových letadel poháněných špičkovými tryskami. Percival P.74 měl nedostatečný výkon a nemohl létat. Hiller YH-32 Hornet měl dobré vztlakové schopnosti, ale jinak fungoval špatně. Jiné letouny používaly pomocný tah pro translační let, takže špičkové trysky mohly být vypnuty, zatímco rotor autorotoval. Experimentální letoun Fairey Jet Gyrodyne, 48místné prototypy Fairey Rotodyne pro cestující a složené gyroplány McDonnell XV-1 létaly touto metodou dobře. Snad nejneobvyklejší konstrukcí tohoto typu byl rotorový rotor Roton ATV, u něhož se původně počítalo se vzletem pomocí rotoru s raketovým zakončením. Francouzský Sud-Ouest Djinn používal k pohonu rotoru nespálený stlačený vzduch, což minimalizovalo hluk a pomohlo mu to stát se jediným vrtulníkem s rotorem poháněným špičkovou tryskou, který se dostal do výroby. Hughes XH-17 měl rotor poháněný špičkovým proudem, který zůstává největším rotorem, jaký kdy byl na vrtulník namontován.
Dvojité rotoryEdit
Dva rotory se otáčejí v opačných směrech, aby vyrovnávaly účinek točivého momentu na letoun, aniž by se spoléhaly na protisměrný ocasní rotor. Díky tomu může letoun použít výkon, který by poháněl ocasní rotor, na hlavní rotory, čímž se zvýší nosnost. U rotorových letadel se protirotačního účinku využívá především ve třech běžných konfiguracích. Tandemové rotory jsou dva rotory – jeden namontovaný za druhým. Koaxiální rotory jsou dva rotory namontované nad sebou na stejné ose. Prolínající se rotory jsou dva rotory namontované blízko sebe pod dostatečným úhlem, aby se rotory mohly prolínat nad horní částí letadla. Další konfigurace – vyskytující se u tiltrotorů a některých raných vrtulníků – se nazývá příčné rotory, kdy je dvojice rotorů namontována na každém konci konstrukce typu křídla nebo výložníku.
TandemEdit
Tandemové rotory jsou dvě vodorovné sestavy hlavních rotorů namontované za sebou. Tandemové rotory dosahují změn polohy náklonu za účelem zrychlení a zpomalení vrtulníku prostřednictvím procesu zvaného cyklický náklon. Pro náklon dopředu a zrychlení oba rotory zvyšují náklon vzadu a snižují náklon vpředu (cyklický) při zachování stejného točivého momentu na obou rotorech, letu do strany se dosáhne zvýšením náklonu na jedné straně a snížením náklonu na druhé. Řízení náklonu se rozvíjí pomocí opačného cyklického náklonu v každém rotoru. Pro otáčení doprava se přední rotor naklání doprava a zadní rotor doleva. Při otáčení doleva se přední rotor naklání doleva a zadní rotor doprava. Veškerý výkon rotorů přispívá ke vztlaku a je jednodušší zvládnout změny těžiště v předozadním směru. Vyžaduje však náklady na dva velké rotory namísto běžnějšího jednoho velkého hlavního rotoru a mnohem menšího zadního rotoru. Nejběžnějším vrtulníkem s tandemovým rotorem je Boeing CH-47 Chinook.
KoaxiálníEdit
Koaxiální rotory jsou dvojice rotorů namontovaných nad sebou na stejné hřídeli a otáčejících se v opačných směrech. Výhodou koaxiálního rotoru je, že při dopředném letu vztlak zajišťovaný postupujícími polovinami každého rotoru kompenzuje ustupující polovinu druhého rotoru, čímž se eliminuje jeden z klíčových důsledků nesymetrie vztlaku: prokluzování ustupujících listů. Koaxiální rotory však trápí i další konstrukční problémy. Mechanická složitost rotorového systému se zvyšuje, protože vyžaduje spojení a výkyvné desky pro dva rotorové systémy. Také proto, že se rotory musí otáčet v opačných směrech, je stožár složitější a řídicí vazby pro změny sklonu horního rotorového systému musí procházet spodním rotorovým systémem.
IntermeshingEdit
Intermezzující rotory vrtulníku jsou soustavou dvou rotorů otáčejících se v opačných směrech, přičemž každý rotorový stožár je na vrtulníku namontován v mírném úhlu vůči druhému tak, aby se listy prolínaly, aniž by se srazily. Tato konfigurace se někdy označuje jako synchropter. Prolínající se rotory mají vysokou stabilitu a silnou nosnost. Toto uspořádání bylo poprvé použito v nacistickém Německu v roce 1939 s úspěšnou konstrukcí Flettner Fl 265 Antona Flettnera a později bylo uvedeno do omezené výroby jako úspěšný Flettner Fl 282 Kolibri, který používala německá Kriegsmarine v malém počtu (vyrobeno 24 kusů) jako experimentální lehký protiponorkový vrtulník. Během studené války vyráběla americká společnost Kaman Aircraft vrtulník HH-43 Huskie pro hasičské a záchranné mise USAF. Poslední model společnosti Kaman, Kaman K-MAX, je speciální konstrukce pro nebeské jeřáby.
Příčná úprava
Příčné rotory jsou namontovány na konci křídel nebo výložníků kolmo k tělu letadla. Podobně jako tandemové rotory a prokládací rotory využívá i příčný rotor diferenciální kolektivní náklon. Stejně jako intermezzo rotory však příčné rotory využívají koncepci pro změny náklonu rotorového letadla. Toto uspořádání najdeme u dvou prvních životaschopných vrtulníků, Focke-Wulf Fw 61 a Focke-Achgelis Fa 223, a také u největšího vrtulníku na světě, který byl kdy postaven, Mil Mi-12. Tuto konfiguraci lze nalézt také na tiltrotorech, jako jsou Bell-Boeing V-22 Osprey a AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Paříž, Francie, 1921 Source
A quad rotor or quadrotor comprises four rotors in an „X“ configuration. Rotors to the left and right are in a transverse configuration while those in the front and to the rear are in a tandem configuration.
An advantage of quad rotors on small aircraft such as drones is the opportunity for mechanical simplicity. A quadcopter using electric motors and fixed-pitch rotors has only four moving parts. Náklon, odklon a klopení lze řídit změnou relativního vztlaku různých dvojic rotorů, aniž by se měnil celkový vztlak.
Dvě rodiny listů jsou
- symetrické listy
- asymetrické listy
Symetrické listy jsou velmi stabilní, což pomáhá udržet kroucení listů a zatížení při řízení letu na minimu. této stability je dosaženo tím, že se střed tlaku při změně úhlu náběhu prakticky nemění. Těžiště tlaku je pomyslný bod na ose, kde se soustřeďuje výslednice všech aerodynamických sil.Konstruktéři dnes používají tenčí křídla a požadovanou tuhost získávají použitím kompozitních materiálů.
Některá křídla jsou navíc konstrukčně asymetrická, což znamená, že horní a dolní plocha nemají stejný sklon.Za normálních okolností by tato křídla nebyla tak stabilní, ale to lze napravit ohnutím odtokové hrany, aby se dosáhlo stejných vlastností jako u symetrických křídel. Tomuto postupu se říká „reflexe“. Použití tohoto typu rotorového listu umožňuje rotorovému systému pracovat při vyšších dopředných rychlostech.Jedním z důvodů, proč asymetrický rotorový list není tak stabilní, je, že se střed tlaku mění se změnou úhlu náběhu. Pokud se střed tlakové síly nachází za otočným bodem rotorového listu, má tendenci způsobovat náklon rotorového disku nahoru. S rostoucím úhlem náběhu se těžiště tlaku posouvá dopředu.Pokud se pohybuje před otočným bodem, náklon rotorového kotouče se snižuje. Protože se úhel náběhu lopatek rotoru během každého cyklu otáčení neustále mění, mají lopatky tendenci ve větší míře klapat, pérovat, vést a klesat.