A legtöbb helikopter egyetlen főrotorral rendelkezik, de a nyomaték leküzdéséhez külön rotorra van szükség. Ezt egy változtatható állású, nyomatékcsökkentő rotorral vagy farokrotorral érik el. Igor Sikorsky ezt a konstrukciót választotta a VS-300-as helikopteréhez, és ez vált a helikopterek tervezésének elismert konvenciójává, bár a konstrukciók változhatnak. Fentről nézve a helikopterek túlnyomó többsége az óramutató járásával ellentétes irányban forog; a francia és orosz helikopterek rotorai az óramutató járásával megegyező irányban forognak.
Egyetlen főrotorSzerkesztés
Az egy főrotoros helikoptereknél a motor forgatásakor keletkező nyomaték olyan nyomatékhatást hoz létre, amely a helikopter testét a rotorral ellentétes irányba fordítja. Ennek a hatásnak a kiküszöbölése érdekében valamilyen nyomatékszabályozást kell alkalmazni, amelyhez elegendő teljesítmény áll rendelkezésre ahhoz, hogy a helikopter megtarthassa az irányt és biztosíthassa a forgásirányt. A ma leggyakrabban használt három vezérlés a farokrotor, az Eurocopter Fenestron (más néven fantail) és az MD Helicopters NOTAR vezérlése.
FarokrotorSzerkesztés
A farokrotor egy kisebb rotor, amely úgy van felszerelve, hogy függőlegesen vagy közel függőlegesen forog a hagyományos egyrotoros helikopter farának végén. A farokrotor helyzete és a súlyponttól való távolsága lehetővé teszi, hogy a főrotor forgásával ellentétes irányú tolóerőt fejlesszen ki a főrotor által létrehozott nyomatékhatás ellensúlyozására. A farokrotorok egyszerűbbek, mint a főrotorok, mivel a tolóerő változtatásához csak kollektív állásváltoztatásra van szükség. A farokrotor lapátjainak állásszögét a pilóta a nyomatékcsökkentő pedálokon keresztül szabályozhatja, amelyek irányvezérlést is biztosítanak, lehetővé téve a pilóta számára, hogy a helikoptert a függőleges tengelye körül elforgassa, ezáltal megváltoztatva a jármű irányát.
Ducted fanEdit
A Fenestron és a FANTAIL a helikopter farokrúdjának végére szerelt, a farokrotor helyett használt csatornás ventilátor védjegyei. A csatornázott ventilátorok nyolc-tizennyolc lapátot tartalmaznak, amelyek szabálytalan távolságban vannak elhelyezve, így a zaj különböző frekvenciákra oszlik el. A ház a repülőgép burkolatával egybeépített, és nagy fordulatszámot tesz lehetővé; ezért a csatornázott ventilátor kisebb méretű lehet, mint a hagyományos farokrotor.
A Fenestront először az 1960-as évek végén használták a Sud Aviation SA 340 második kísérleti modelljén, és a későbbi Aérospatiale SA 341 Gazelle típuson is gyártották. Az Eurocopter és elődei mellett a csatornázott ventilátoros farokrotort használták az Egyesült Államok hadseregének törölt katonai helikopterprojektjén, a RAH-66 Comanche-on is, FANTAIL néven.
NOTAREdit
A NOTAR, a NO TAil Rotor rövidítése, egy olyan helikopteres nyomatékcsökkentő rendszer, amely megszünteti a farokrotor használatát a helikopteren. Bár a koncepció finomítása időbe telt, a NOTAR-rendszer elméletileg egyszerű, és ugyanúgy biztosít forgatónyomaték-ellenállást, mint ahogyan a szárny a Coandă-effektus segítségével fejleszt felhajtóerőt. Egy változtatható állásszögű ventilátor van beépítve a törzs hátsó részébe, közvetlenül a farokgém előtt, és a főrotor hajtóműve hajtja. Az óramutató járásával ellentétes forgású főrotor által az óramutató járásával ellentétes irányban létrehozott nyomatékot ellensúlyozó oldalirányú erő biztosítása érdekében (a főrotor fölülről nézve) a változó állású ventilátor alacsony nyomású levegőt kényszerít a farokcső jobb oldalán lévő két nyíláson keresztül, így a főrotor leáramlása a farokcsőhöz simul, ami felhajtóerőt és ezáltal a rotor leáramlásából származó légáramlás mennyiségével arányos ellennyomatékot eredményez. Ezt egészíti ki egy közvetlen sugárhajtómű, amely irányított görgetésvezérlést is biztosít, a farok végéhez közeli fix felületű, függőleges stabilizátorokat is magában foglaló farvitorlázat jelenlétével.
A NOTAR rendszer kifejlesztése 1975-re nyúlik vissza, amikor a Hughes Helicopters mérnökei megkezdték a koncepció fejlesztési munkálatait. A Hughes 1981 decemberében repült először a NOTAR rendszerrel felszerelt OH-6A típusú helikopterrel. Egy erősebben módosított bemutató prototípus 1986 márciusában repült először, és sikeresen teljesített egy előrehaladott repülési tesztprogramot, amely validálta a rendszert a helikopterek tervezésében való jövőbeli alkalmazás szempontjából. Jelenleg három sorozatgyártású helikopter rendelkezik a NOTAR konstrukcióval, mindegyiket az MD Helicopters gyártja. Ez az antitorque kialakítás a biztonságot is javítja, mivel kiküszöböli annak lehetőségét, hogy a személyzet belesétáljon a farokrotorba.
A rendszer (valamiféle) elődje a nagy-britanniai Cierva W.9 helikopter formájában létezett, egy 1940-es évek végi repülőgép, amely a dugattyús motor hűtőventilátorát használta a levegőnek a faroktoronyba épített fúvókán keresztül történő nyomására a rotor nyomatéka ellen.
Tip jetsEdit
A főrotort tip jetekkel lehet meghajtani. Az ilyen rendszer meghajtása történhet kompresszor által biztosított nagynyomású levegővel. A levegőt lehet vagy nem lehet üzemanyaggal keverni és ram-jetekben, impulzus-sugarakban vagy rakétákban elégetni. Bár ez a módszer egyszerű és kiküszöböli a nyomatékreakciót, a már megépített prototípusok kevésbé üzemanyag-hatékonyak, mint a hagyományos helikopterek. Az el nem égetett sűrített levegővel hajtott csúcsfúvókák kivételével a nagyon magas zajszint a legfontosabb oka annak, hogy a csúcsfúvókával hajtott rotorok nem nyertek széles körű elfogadottságot. A zajcsillapítással kapcsolatos kutatások azonban folyamatban vannak, és segíthetnek abban, hogy ez a rendszer életképessé váljon.
A hegyi sugárhajtású forgószárnyasokra több példa is van. A Percival P.74 alulmotorizált volt, és nem tudott repülni. A Hiller YH-32 Hornet jó emelőképességgel rendelkezett, de egyébként gyengén teljesített. Más repülőgépek segédtolóerőt használtak a transzlációs repüléshez, így a csúcsfúvókákat le lehetett állítani, miközben a rotor autorotált. A kísérleti Fairey Jet Gyrodyne, a 48 üléses Fairey Rotodyne utasszállító prototípusok és a McDonnell XV-1 összetett gyroplánok jól repültek ezzel a módszerrel. A típus talán legszokatlanabb konstrukciója a Rotary Rocket Roton ATV volt, amelyet eredetileg úgy képzeltek el, hogy rakétacsúcsú rotorral szálljon fel. A francia Sud-Ouest Djinn el nem égetett sűrített levegőt használt a rotor meghajtására, ami minimalizálta a zajt, és hozzájárult ahhoz, hogy ez legyen az egyetlen csúcsrepülőgépes rotoros helikopter, amely gyártásba került. A Hughes XH-17-nek is volt egy csúcssugaras meghajtású rotorja, amely a mai napig a valaha helikopterre szerelt legnagyobb rotor.
IkerrotorokSzerkesztés
Az ikerrotorok ellentétes irányban forognak, hogy ellensúlyozzák a repülőgépre ható nyomatékhatást anélkül, hogy nyomatékcsökkentő farokrotorra támaszkodnának. Ez lehetővé teszi, hogy a repülőgép azt a teljesítményt, amely a farokrotort hajtaná, a főrotorokra fordítsa, növelve ezzel a teherbírást. Elsősorban három gyakori konfiguráció használja ki a forgószárnyasoknál az ellenforgató hatást. A tandemrotorok két rotorból állnak – az egyiket a másik mögé szerelik. A koaxiális rotorok két, azonos tengelyen egymás fölé szerelt rotor. Az egymásba illeszkedő rotorok két rotor, amelyeket egymáshoz közel, megfelelő szögben szerelnek fel, hogy a rotorok a repülőgép teteje fölött egymásba illeszkedjenek. Egy másik konfiguráció – amely a billenőrotorokon és néhány korai helikopteren található – az úgynevezett keresztirányú rotorok, ahol egy-egy rotorpár egy szárny típusú szerkezet vagy kitámasztó mindkét végére van felszerelve.
TandemEdit
A tandemrotorok két egymás mögé szerelt vízszintes főrotor-egységek. A tandemrotorok a helikopter gyorsításához és lassításához ciklikus állásváltoztatásnak nevezett eljárással érik el a helikopter álláshelyzetének változtatását. Az előre álláshoz és a gyorsuláshoz mindkét rotor hátul növeli a dőlésszöget, elöl pedig csökkenti a dőlésszöget (ciklikus), miközben a nyomaték mindkét rotoron azonos marad, az oldalirányú repülés az egyik oldalon a dőlésszög növelésével, a másikon pedig a dőlésszög csökkentésével érhető el. A görbületvezérlés az egyes rotorok ellentétes ciklikus állásszögével alakul ki. A jobbra forduláshoz az első rotor jobbra, a hátsó rotor pedig balra dől. Balra forduláshoz az első rotor balra, a hátsó rotor pedig jobbra dől. Az összes rotor teljesítménye hozzájárul a felhajtóerőhöz, és egyszerűbben kezelhető a súlypont előre-hátra változása. Ez azonban két nagy rotor költségét igényli a gyakoribb egy nagy főrotor és egy sokkal kisebb farokrotor helyett. A Boeing CH-47 Chinook a legelterjedtebb tandemrotoros helikopter.
KoaxiálSzerkesztés
A koaxiális rotorok olyan rotorpárok, amelyek ugyanazon a tengelyen egymás fölé vannak szerelve, és ellentétes irányban forognak. A koaxiális rotor előnye, hogy előrerepülésben az egyes rotorok előrehaladó felei által biztosított felhajtóerő kompenzálja a másik rotor visszahúzódó felét, kiküszöbölve ezzel a felhajtóerő disszimmetriájának egyik legfontosabb hatását: a visszahúzódó lapátok elakadását. A koaxiális rotorokat azonban más tervezési megfontolások is sújtják. A rotorrendszer mechanikai összetettsége megnövekedett, mivel két rotorrendszerhez kapcsolódási pontok és forgótárcsák szükségesek. Továbbá, mivel a rotoroknak ellentétes irányban kell forogniuk, az árboc összetettebb, és a felső rotorrendszerhez történő állásváltoztatáshoz szükséges vezérlőkapcsolatoknak az alsó rotorrendszeren kell áthaladniuk.
IntermeshingEdit
A helikopteren az intermezing rotorok két, ellentétes irányban forgó rotorból álló rotorcsoportot jelentenek, amelyek mindegyik rotor árbocát a helikopteren a másikhoz képest enyhe szögben szerelik fel, hogy a lapátok ütközés nélkül keresztezzék egymást. Ezt a konfigurációt néha szinkronrotornak is nevezik. Az egymásba kapcsolódó rotorok nagy stabilitással és erőteljes emelőképességgel rendelkeznek. Az elrendezést a náci Németországban 1939-ben Anton Flettner sikeres Flettner Fl 265-ös tervével vezették be, majd később korlátozott számban gyártották a sikeres Flettner Fl 282 Kolibri néven, amelyet a német haditengerészet kis példányszámban (24 darabot gyártottak) kísérleti könnyű tengeralattjáró-elhárító helikopterként használt. A hidegháború alatt egy amerikai cég, a Kaman Aircraft gyártotta a HH-43 Huskie-t az USAF tűzoltási és mentési feladataihoz. A Kaman legújabb modellje, a Kaman K-MAX egy dedikált égidaru-konstrukció.
TransverseEdit
A transzverzális rotorok a szárnyak vagy a kitámasztók végére vannak felszerelve a repülőgép testére merőlegesen. A tandemrotorokhoz és az egymásba kapcsolódó rotorokhoz hasonlóan a keresztirányú rotor is differenciális kollektív állásszöget használ. De a keresztező rotorokhoz hasonlóan a keresztirányú rotorok is a forgószárnyas gördülési helyzetének megváltoztatására használják a koncepciót. Ez a konfiguráció megtalálható az első életképes helikopterek közül kettőn, a Focke-Wulf Fw 61-en és a Focke-Achgelis Fa 223-on, valamint a világ valaha épített legnagyobb helikopterén, a Mil Mi-12-en. A Bell-Boeing V-22 Osprey és az AgustaWestland AW609 típusú billenőrotoros helikoptereken is ez a konfiguráció található.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Párizs, Franciaország, 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. A különböző rotorpárok relatív felhajtóerejének változtatásával a teljes felhajtóerő megváltoztatása nélkül szabályozható a dőlésszög, a görbülés és a gördülés.
A szárnyprofilok két családja
- szimmetrikus szárnyprofilok
- aszimmetrikus szárnyprofilok
A szimmetrikus lapátok nagyon stabilak, ami segít minimálisra csökkenteni a lapátok csavarodását és a repülésirányítási terhelést.Ezt a stabilitást úgy érik el, hogy a nyomásközpont gyakorlatilag változatlan marad a támadási szög változásakor. A nyomásközéppont az a képzeletbeli pont az akkordvonalon, ahol az összes aerodinamikai erő eredője koncentrálódik.Ma a tervezők vékonyabb szárnyprofilokat használnak, és a szükséges merevséget kompozit anyagok használatával érik el.
Ezeken kívül egyes szárnyprofilok aszimmetrikus kialakításúak, ami azt jelenti, hogy a felső és alsó felület nem ugyanolyan domború.Normális esetben ezek a szárnyprofilok nem lennének olyan stabilak, de ez korrigálható a hátsó él hajlításával, hogy a szimmetrikus szárnyprofilokkal azonos tulajdonságokat kapjanak. Ezt “reflexelésnek” nevezik. Az ilyen típusú rotorlapát használata lehetővé teszi, hogy a rotorrendszer nagyobb haladási sebességgel működjön.Az aszimmetrikus rotorlapát egyik oka, hogy az aszimmetrikus rotorlapát nem olyan stabil, az, hogy a nyomáspont a támadási szög változásával változik. Ha a nyomóerő-emelő erő középpontja a rotorlapát forgáspontja mögött van, akkor a rotorlapát hajlamos felfelé dőlni. Ha a támadási szög növekszik, a nyomáspont előre mozog.Ha a forgáspont előtt mozog, a forgótárcsa dőlése csökken. Mivel a rotorlapátok állásszöge minden egyes forgási ciklus során folyamatosan változik, a lapátok hajlamosak nagyobb mértékben csapkodni, tollasodni, vezetni és süllyedni.