De meeste helikopters hebben een enkele hoofdrotor, maar hebben een aparte rotor nodig om het koppel te overwinnen. Dit wordt bereikt met een antikoppelrotor met variabele spoed of staartrotor. Dit is het ontwerp dat Igor Sikorsky koos voor zijn VS-300 helikopter, en het is de erkende conventie geworden voor het ontwerpen van helikopters, hoewel de ontwerpen wel variëren. Van bovenaf gezien draait de overgrote meerderheid van helikopterrotors tegen de klok in; de rotors van Franse en Russische helikopters draaien met de klok mee.
Enkele hoofdrotorEdit
Bij een helikopter met één hoofdrotor ontstaat een koppeleffect doordat de motor de rotor laat draaien, waardoor de romp van de helikopter in de tegenovergestelde richting van de rotor gaat draaien. Om dit effect te elimineren moet een soort anti-koppel regeling worden gebruikt met een voldoende marge aan beschikbaar vermogen om de helikopter in staat te stellen zijn koers te handhaven en giercontrole te bieden. De drie meest gebruikte regelaars zijn tegenwoordig de staartrotor, de Fenestron van Eurocopter (ook wel fantail genoemd), en de NOTAR van MD Helicopters.
StaartrotorEdit
De staartrotor is een kleinere rotor die zo is gemonteerd dat hij verticaal of bijna-verticaal draait aan het uiteinde van de staart van een traditionele helikopter met één rotor. Door zijn positie en afstand tot het zwaartepunt kan de staartrotor stuwkracht ontwikkelen in een richting die tegengesteld is aan de rotatie van de hoofdrotor, om het door de hoofdrotor veroorzaakte torsie-effect tegen te gaan. Staartrotors zijn eenvoudiger dan hoofdrotors omdat zij slechts collectieve veranderingen in spoed vereisen om de stuwkracht te variëren. De neusstand van de staartrotorbladen kan door de piloot worden aangepast via de anti-torsiepedalen, die ook directionele controle bieden door de piloot in staat te stellen de helikopter rond zijn verticale as te draaien, waardoor de richting van het vaartuig wordt veranderd.
Ducted fanEdit
Fenestron en FANTAIL zijn handelsmerken voor een gekanaliseerde ventilator die aan het uiteinde van de staartboom van de helikopter is gemonteerd en wordt gebruikt in plaats van een staartrotor. Kanaalventilatoren hebben acht tot achttien schoepen met een onregelmatige tussenruimte, zodat het geluid over verschillende frequenties wordt verdeeld. De behuizing is integraal met de vliegtuighuid en maakt een hoge rotatiesnelheid mogelijk; daarom kan een gekanaliseerde ventilator een kleinere afmeting hebben dan een conventionele staartrotor.
De Fenestron werd eind jaren zestig voor het eerst gebruikt op het tweede experimentele model van de SA 340 van Sud Aviation en geproduceerd op het latere model Aérospatiale SA 341 Gazelle. Naast Eurocopter en zijn voorgangers werd een staartrotor met ventilator ook gebruikt op het geannuleerde militaire helikopterproject, de RAH-66 Comanche van het Amerikaanse leger, als de FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, een acroniem voor NO TAil Rotor, is een anti-torsiesysteem voor helikopters dat het gebruik van de staartrotor op een helikopter elimineert. Hoewel het concept enige tijd vergde om te verfijnen, is het NOTAR-systeem in theorie eenvoudig en levert het antitorsie op dezelfde manier als een vleugel lift ontwikkelt door gebruik te maken van het Coandă-effect. Een ventilator met variabele spoed is ingesloten in het achterste gedeelte van de romp, onmiddellijk vóór de staartboom, en wordt aangedreven door de transmissie van de hoofdrotor. Om de zijwaartse kracht te leveren die het koppel met de wijzers van de klok mee tegenwerkt dat wordt geproduceerd door een tegen de wijzers van de klok in draaiende hoofdrotor (gezien van boven de hoofdrotor), dwingt de ventilator met variabele spoed lagedruklucht door twee gleuven aan de rechterkant van de staartboom, waardoor de neerwaartse druk van de hoofdrotor de staartboom omarmt, waardoor lift wordt geproduceerd en dus een mate van tegendruk die evenredig is met de hoeveelheid lucht die door de rotorwash wordt geproduceerd.
De ontwikkeling van het NOTAR-systeem gaat terug tot 1975, toen ingenieurs bij Hughes Helicopters begonnen met de ontwikkeling van het concept. In december 1981 vloog Hughes voor het eerst met een OH-6A uitgerust met NOTAR. Een zwaarder aangepast prototype demonstrator vloog voor het eerst in maart 1986 en voltooide met succes een geavanceerd vliegtestprogramma, waarmee het systeem werd gevalideerd voor toekomstige toepassing in het ontwerp van helikopters. Er zijn momenteel drie productiehelikopters waarin het NOTAR-ontwerp is verwerkt, alle geproduceerd door MD Helicopters. Dit anti-koppel ontwerp verbetert ook de veiligheid door het elimineren van de mogelijkheid dat personeel in de staartrotor loopt.
Een voorganger (van soorten) van dit systeem bestond in de vorm van de Cierva W.9 helikopter van Groot-Brittannië, een vliegtuig uit het eind van de jaren 1940 dat de koelventilator van de zuigermotor gebruikte om lucht door een in de staartboom ingebouwd mondstuk te persen om het rotorkoppel tegen te gaan.
Tip jetsEdit
De hoofdrotor kan worden aangedreven door tipjets. Een dergelijk systeem kan worden aangedreven door lucht onder hoge druk die door een compressor wordt geleverd. De lucht kan al dan niet worden gemengd met brandstof en worden verbrand in ram-jets, pulse-jets, of raketten. Hoewel deze methode eenvoudig is en de reactie van het koppel elimineert, zijn de prototypen die zijn gebouwd minder brandstofefficiënt dan conventionele helikopters. Met uitzondering van tipjets die worden aangedreven door onverbrande perslucht, is het zeer hoge geluidsniveau de belangrijkste reden waarom door tipjets aangedreven rotors niet algemeen zijn aanvaard. Onderzoek naar geluidsonderdrukking is echter gaande en kan helpen dit systeem levensvatbaar te maken.
Er zijn verschillende voorbeelden van met tipjets aangedreven rotorvliegtuigen. De Percival P.74 had te weinig vermogen en kon niet vliegen. De Hiller YH-32 Hornet had een goed hefvermogen, maar presteerde verder matig. Andere toestellen gebruikten hulpstuwkracht voor de translatievlucht zodat de tipjets konden worden uitgeschakeld terwijl de rotor autoroteerde. De experimentele Fairey Jet Gyrodyne, 48-zits Fairey Rotodyne passagiers prototypes en McDonnell XV-1 samengestelde gyro vliegtuigen vlogen goed volgens deze methode. Misschien wel het meest ongebruikelijke ontwerp van dit type was de Rotary Rocket Roton ATV, die oorspronkelijk bedoeld was om op te stijgen met behulp van een rotor met een rakettip. De Franse Sud-Ouest Djinn gebruikte onverbrande perslucht om de rotor aan te drijven, wat het geluid tot een minimum beperkte en er mede voor zorgde dat dit de enige rotorhelikopter met tipstraalaandrijving werd die in productie ging. De Hughes XH-17 had een tipjet-gedreven rotor, die nog steeds de grootste rotor is die ooit in een helikopter is gemonteerd.
Twee rotorsEdit
Twee rotors draaien in tegengestelde richting om het torsie-effect op het vliegtuig tegen te gaan zonder te vertrouwen op een antitorque staartrotor. Hierdoor kan het vliegtuig het vermogen dat een staartrotor zou hebben aangedreven, gebruiken voor de hoofdrotors, waardoor het hefvermogen toeneemt. In principe maken drie veel voorkomende configuraties gebruik van het contraroterende effect op rotorvliegtuigen. Tandemrotors zijn twee rotors – de ene achter de andere gemonteerd. Coaxiale rotors zijn twee rotors die boven elkaar op dezelfde as zijn gemonteerd. Intermeshing rotors zijn twee rotors die dicht bij elkaar zijn gemonteerd onder een hoek die groot genoeg is om de rotors over de bovenkant van het luchtvaartuig te laten kruisen. Een andere configuratie – te vinden op tiltrotors en sommige vroege helikopters – wordt dwarsrotor genoemd, waarbij een paar rotors aan elk uiteinde van een vleugelachtige structuur of uithouder zijn gemonteerd.
TandemEdit
Tandemrotors zijn twee horizontale hoofdrotorsamenstellen die achter elkaar zijn gemonteerd. Tandemrotors zorgen voor een verandering van de neusstand om de helikopter te versnellen en te vertragen door middel van een proces dat cyclische neusstand wordt genoemd. Om vooruit te gaan en te versnellen, verhogen beide rotors de neusstand aan de achterzijde en verlagen ze de neusstand aan de voorzijde (cyclisch), waarbij het koppel aan beide rotors gelijk blijft; zijwaarts vliegen wordt bereikt door de neusstand aan de ene kant te verhogen en aan de andere kant te verlagen. Giercontrole ontstaat door tegengestelde cyclische spoed in elke rotor. Om naar rechts te draaien, kantelt de voorste rotor naar rechts en de achterste rotor naar links. Om naar links te draaien, kantelt de voorste rotor naar links en de achterste rotor naar rechts. Alle rotorvermogen draagt bij tot de lift, en het is eenvoudiger om veranderingen in het zwaartepunt van voren naar achteren te verwerken. Het vereist echter wel de kosten van twee grote rotors in plaats van de meer gebruikelijke één grote hoofdrotor en een veel kleinere staartrotor. De Boeing CH-47 Chinook is de meest voorkomende helikopter met tandemrotor.
CoaxiaalEdit
Coaxiale rotors zijn een paar rotors die boven elkaar op dezelfde as zijn gemonteerd en in tegengestelde richting draaien. Het voordeel van de coaxiale rotor is dat, in voorwaartse vlucht, de lift geleverd door de oprukkende helften van elke rotor de terugtrekkende helft van de andere compenseert, waardoor een van de belangrijkste effecten van dissymmetrie van lift wordt geëlimineerd: terugtrekkende bladstilstand. Er zijn echter nog andere ontwerpoverwegingen die coaxiale rotors parten spelen. De mechanische complexiteit van het rotorsysteem neemt toe omdat er voor twee rotorsystemen koppelingen en schommelschijven nodig zijn. Ook is de mast complexer omdat de rotoren in tegengestelde richting moeten draaien, en moeten de bedieningskoppelingen voor spoedveranderingen aan het bovenste rotorsysteem door het onderste rotorsysteem lopen.
IntermeshingEdit
Intermeshing rotors op een helikopter zijn een set van twee rotors die in tegengestelde richtingen draaien, waarbij elke rotormast onder een kleine hoek ten opzichte van de andere rotormast op de helikopter is gemonteerd, zodat de bladen in elkaar grijpen zonder te botsen. Deze configuratie wordt ook wel synchropter genoemd. Intermeshing rotors hebben een hoge stabiliteit en een krachtig hefvermogen. De opstelling werd in 1939 in nazi-Duitsland geïntroduceerd met Anton Flettner’s succesvolle Flettner Fl 265 ontwerp, en later in beperkte productie genomen als de succesvolle Flettner Fl 282 Kolibri, die door de Duitse Kriegsmarine in kleine aantallen (24 casco’s geproduceerd) werd gebruikt als een experimentele lichte anti-onderzeebootbestrijdingshelikopter. Tijdens de Koude Oorlog produceerde een Amerikaans bedrijf, Kaman Aircraft, de HH-43 Huskie voor USAF brandbestrijdings- en reddingsmissies. Het nieuwste Kaman-model, de Kaman K-MAX, is een specifiek luchtkraanontwerp.
DwarseEdit
Transverse rotors zijn gemonteerd op het uiteinde van vleugels of uithouders loodrecht op de romp van het vliegtuig. Net als tandem- en tussenrotors maakt ook de dwarsrotor gebruik van differentiële collectieve spoed. Maar net als de in elkaar grijpende rotors gebruiken de dwarsrotors het concept voor veranderingen in de rolhouding van het rotorvliegtuig. Deze configuratie is te vinden op twee van de eerste levensvatbare helikopters, de Focke-Wulf Fw 61 en de Focke-Achgelis Fa 223, en ook op ’s werelds grootste helikopter die ooit is gebouwd, de Mil Mi-12. Het is ook de configuratie die wordt aangetroffen op tiltrotors zoals de Bell-Boeing V-22 Osprey en de AgustaWestland AW609.
VierrotorEdit
Etienne Oehmichen, Parijs, Frankrijk, 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. Pitch, yaw en roll kunnen worden geregeld door de relatieve lift van verschillende rotorparen te veranderen zonder de totale lift te veranderen.
De twee families van luchtprofielen zijn
- symmetrische luchtprofielen
- asymmetrische luchtprofielen
Symmetrische bladen zijn zeer stabiel, wat helpt om het verdraaien van de bladen en de belasting van de vluchtbesturing tot een minimum te beperken.Deze stabiliteit wordt bereikt door het drukcentrum vrijwel onveranderd te houden als de invalshoek verandert. Het drukpunt is het denkbeeldige punt op de koordelijn waar de resultante van alle aërodynamische krachten als geconcentreerd wordt beschouwd.Tegenwoordig gebruiken ontwerpers dunnere aërodynamische vlakken en verkrijgen de vereiste stijfheid door composietmaterialen te gebruiken.
Daarnaast zijn sommige aërodynamische vlakken asymmetrisch van ontwerp, wat betekent dat het boven- en ondervlak niet dezelfde welving hebben.Normaal zouden deze aërodynamische vlakken niet zo stabiel zijn, maar dit kan worden gecorrigeerd door de achterrand te buigen om dezelfde eigenschappen te verkrijgen als bij symmetrische aërodynamische vlakken. Dit wordt “reflexing” genoemd. Een van de redenen waarom een asymmetrisch rotorblad niet zo stabiel is, is dat het drukpunt verandert bij verandering van de invalshoek. Wanneer het drukpunt zich achter het draaipunt van een rotorblad bevindt, heeft het de neiging de rotorschijf omhoog te laten hellen. Als de invalshoek groter wordt, beweegt het drukpunt naar voren. Als het voor het draaipunt komt, neemt de spoed van de rotorschijf af. Aangezien de invalshoek van de rotorbladen tijdens elke omwentelingscyclus voortdurend verandert, hebben de bladen de neiging te flapperen, te veren, te leiden en in grotere mate te slaan.