Większość śmigłowców posiada pojedynczy wirnik główny, ale wymaga oddzielnego wirnika do pokonania momentu obrotowego. Jest to osiągane przez wirnik przeciwsobny o zmiennym skoku lub wirnik ogonowy. Jest to konstrukcja, na którą zdecydował się Igor Sikorsky w swoim śmigłowcu VS-300 i stała się ona uznaną konwencją projektowania śmigłowców, chociaż konstrukcje różnią się między sobą. Patrząc z góry, zdecydowana większość wirników śmigłowców obraca się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara; wirniki śmigłowców francuskich i rosyjskich obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.
Pojedynczy wirnik głównyEdit
W przypadku śmigłowca z pojedynczym wirnikiem głównym wytworzenie momentu obrotowego w miarę obracania wirnika przez silnik powoduje efekt momentu obrotowego, który powoduje, że korpus śmigłowca obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika. Aby wyeliminować ten efekt, należy zastosować jakiś rodzaj sterowania przeciwmomentowego z wystarczającym marginesem dostępnej mocy, aby umożliwić śmigłowcowi utrzymanie kursu i zapewnić kontrolę odchylenia. Trzy najczęściej stosowane obecnie urządzenia sterujące to wirnik ogonowy, Fenestron firmy Eurocopter (zwany również fantail) oraz NOTAR firmy MD Helicopters.
Świrnik ogonowyEdit
Wirnik ogonowy to mniejszy wirnik zamontowany tak, że obraca się pionowo lub prawie pionowo na końcu ogona tradycyjnego śmigłowca jednowirnikowego. Pozycja i odległość wirnika ogonowego od środka ciężkości pozwala mu na rozwijanie siły ciągu w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wirnika głównego, aby przeciwdziałać efektowi momentu obrotowego wytwarzanego przez wirnik główny. Wirniki ogonowe są prostsze niż wirniki główne, ponieważ wymagają jedynie zbiorowych zmian skoku w celu zmiany siły ciągu. Pochylenie łopat wirnika ogonowego jest regulowane przez pilota za pomocą pedałów przeciwdziałających momentowi obrotowemu, które zapewniają również kontrolę kierunku, pozwalając pilotowi obracać śmigłowiec wokół jego osi pionowej, zmieniając w ten sposób kierunek, w którym jest skierowany.
Wentylator kanałowyEdit
Fenestron i FANTAIL są znakami towarowymi dla wentylatora kanałowego montowanego na końcu wysięgnika ogonowego śmigłowca i używanego zamiast wirnika ogonowego. Wentylatory kanałowe mają od ośmiu do osiemnastu łopatek rozmieszczonych w nieregularnych odstępach, dzięki czemu hałas jest rozprowadzany na różnych częstotliwościach. Obudowa jest zintegrowana z poszyciem samolotu i umożliwia wysoką prędkość obrotową; dlatego wentylator kanałowy może mieć mniejsze rozmiary niż konwencjonalny wirnik ogonowy.
Fenestron został zastosowany po raz pierwszy pod koniec lat 60-tych w drugim modelu eksperymentalnym SA 340 firmy Sud Aviation i wyprodukowany w późniejszym modelu Aérospatiale SA 341 Gazelle. Oprócz Eurocoptera i jego poprzedników, wirnik ogonowy z wentylatorem kanałowym był również stosowany w anulowanym projekcie śmigłowca wojskowego Armii Stanów Zjednoczonych RAH-66 Comanche, jako FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, akronim od NO TAil Rotor, to śmigłowcowy system przeciwskrętny, który eliminuje użycie wirnika ogonowego w śmigłowcu. Chociaż dopracowanie koncepcji zajęło trochę czasu, system NOTAR jest prosty w teorii i zapewnia moment obrotowy w taki sam sposób, w jaki skrzydło wytwarza siłę nośną, wykorzystując efekt Coandă. Wentylator o zmiennym skoku jest umieszczony w tylnej części kadłuba bezpośrednio przed belką ogonową i jest napędzany przez przekładnię głównego wirnika. Aby zapewnić siłę boczną przeciwdziałającą prawoskrętnemu momentowi obrotowemu wytwarzanemu przez wirnik główny obracający się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (patrząc z góry wirnika głównego), wentylator o zmiennym skoku tłoczy powietrze o niskim ciśnieniu przez dwie szczeliny po prawej stronie usterzenia ogonowego, powodując, że pył z wirnika głównego obejmuje usterzenie ogonowe, wytwarzając siłę nośną, a tym samym przeciwmoment proporcjonalny do wielkości przepływu powietrza z pędu wirnika. Jest to wspomagane przez bezpośredni pędnik strumieniowy, który zapewnia również kierunkową kontrolę odchylenia, dzięki obecności stałopowierzchniowej osłony w pobliżu końca ogona, zawierającej stabilizatory pionowe.
Rozwój systemu NOTAR datuje się na rok 1975, kiedy to inżynierowie z Hughes Helicopters rozpoczęli prace nad rozwojem koncepcji. W grudniu 1981 r. Hughes po raz pierwszy oblatał samolot OH-6A wyposażony w NOTAR. Mocniej zmodyfikowany prototyp demonstracyjny poleciał po raz pierwszy w marcu 1986 roku i pomyślnie zakończył zaawansowany program prób w locie, zatwierdzając system do przyszłego zastosowania w konstrukcji śmigłowca. Obecnie istnieją trzy śmigłowce produkcyjne, w których zastosowano konstrukcję NOTAR, wszystkie produkowane przez MD Helicopters. Ten projekt przeciwdziałający momentowi obrotowemu poprawia również bezpieczeństwo, eliminując możliwość wejścia personelu na wirnik ogonowy.
Poprzednikiem (w pewnym sensie) tego systemu był brytyjski śmigłowiec Cierva W.9, samolot z końca lat 40. XX wieku, w którym wentylator chłodzący silnika tłokowego przepychał powietrze przez dyszę wbudowaną w belkę ogonową, aby przeciwdziałać momentowi obrotowemu wirnika.
Tip jetEdit
Główny wirnik może być napędzany przez odrzutniki końcówek. Taki system może być zasilany powietrzem o wysokim ciśnieniu dostarczanym przez sprężarkę. Powietrze może, ale nie musi, być mieszane z paliwem i spalane w dyszach ramowych, dyszach impulsowych lub rakietach. Chociaż metoda ta jest prosta i eliminuje reakcję momentu obrotowego, zbudowane prototypy są mniej paliwooszczędne niż konwencjonalne śmigłowce. Z wyjątkiem wirników typu tip jet napędzanych niespalonym sprężonym powietrzem, bardzo wysoki poziom hałasu jest najważniejszym powodem, dla którego wirniki napędzane przez tip jet nie zyskały szerokiej akceptacji. Prowadzone są jednak badania nad tłumieniem hałasu, które mogą pomóc uczynić ten system opłacalnym.
Istnieje kilka przykładów wiropłatów z napędem strugami odrzutowymi. Percival P.74 miał zbyt małą moc i nie mógł latać. Hiller YH-32 Hornet miał dobrą zdolność podnoszenia, ale poza tym osiągał słabe wyniki. Inne samoloty wykorzystywały pomocniczy ciąg do lotu translacyjnego, dzięki czemu można było wyłączyć silniki odrzutowe, podczas gdy wirnik wykonywał autorotację. Tą metodą latały eksperymentalne Fairey Jet Gyrodyne, 48-miejscowe prototypy Fairey Rotodyne dla pasażerów oraz złożone żyroplany McDonnell XV-1. Prawdopodobnie najbardziej niezwykłą konstrukcją tego typu był Rotary Rocket Roton ATV, który według pierwotnych założeń miał startować przy użyciu wirnika zakończonego rakietą. Francuski Sud-Ouest Djinn do napędu wirnika używał niespalonego sprężonego powietrza, co minimalizowało hałas i pozwoliło mu stać się jedynym śmigłowcem z wirnikiem napędzanym odrzutnikiem, który wszedł do produkcji. Hughes XH-17 miał wirnik napędzany odrzutnikiem, który pozostaje największym wirnikiem, jaki kiedykolwiek zamontowano w śmigłowcu.
Dwa wirnikiEdit
Dwa wirniki obracają się w przeciwnych kierunkach, aby przeciwdziałać efektowi momentu obrotowego w samolocie bez konieczności stosowania wirnika ogonowego przeciwdziałającego momentowi obrotowemu. Dzięki temu samolot może wykorzystać moc, która napędzałaby wirnik ogonowy, do wirników głównych, zwiększając udźwig. Efekt przeciwbieżny w wiropłatach jest wykorzystywany przede wszystkim w trzech powszechnie stosowanych konfiguracjach. Wirniki tandemowe to dwa wirniki – jeden zamontowany za drugim. Wirniki współosiowe to dwa wirniki zamontowane jeden nad drugim na tej samej osi. Wirniki przeplatające się to dwa wirniki zamontowane blisko siebie pod wystarczającym kątem, aby wirniki przeplatały się nad górną częścią statku powietrznego. Inna konfiguracja – spotykana w tiltrotorach i niektórych wczesnych śmigłowcach – nazywana jest wirnikami poprzecznymi, gdzie para wirników zamontowana jest na każdym końcu konstrukcji typu skrzydło lub wysięgnik.
TandemEdit
Wirniki tandemowe to dwa poziome zespoły wirników głównych zamontowane jeden za drugim. Wirniki tandemowe uzyskują zmiany nastawy skoku w celu przyspieszenia i opóźnienia śmigłowca poprzez proces zwany skokiem cyklicznym. Aby wykonać skok do przodu i przyspieszyć, oba wirniki zwiększają skok z tyłu i zmniejszają skok z przodu (cyklicznie) utrzymując ten sam moment obrotowy na obu wirnikach, lot boczny uzyskuje się poprzez zwiększenie skoku z jednej strony i zmniejszenie skoku z drugiej. Sterowanie odchyleniem uzyskuje się poprzez przeciwstawne cykliczne wychylenia każdego wirnika. Aby obrócić się w prawo, przedni wirnik przechyla się w prawo, a tylny w lewo. W celu wychylenia w lewo, przedni wirnik wychyla się w lewo, a tylny w prawo. Cała moc wirnika przyczynia się do unoszenia, a obsługa zmian środka ciężkości przód-tył jest prostsza. Wymaga to jednak zastosowania dwóch dużych wirników zamiast jednego dużego wirnika głównego i znacznie mniejszego wirnika ogonowego. Boeing CH-47 Chinook jest najczęściej spotykanym śmigłowcem z wirnikami tandemowymi.
CoaxialEdit
Wirniki współosiowe to para wirników zamontowanych jeden nad drugim na tym samym wale i obracających się w przeciwnych kierunkach. Zaletą wirnika współosiowego jest to, że w locie do przodu siła nośna dostarczana przez postępujące połówki każdego wirnika kompensuje cofającą się połówkę drugiego, eliminując jeden z kluczowych efektów niesymetrii siły nośnej: przeciągnięcie łopaty. Wirniki współosiowe są jednak obarczone innymi problemami konstrukcyjnymi. Złożoność mechaniczna układu wirnika jest większa, ponieważ wymaga on zastosowania łączników i płytek rozdzielczych dla dwóch układów wirników. Ponadto, ponieważ wirniki muszą obracać się w przeciwnych kierunkach, maszt jest bardziej złożony, a połączenia sterujące do zmiany skoku górnego układu wirników muszą przechodzić przez układ dolnego wirnika.
IntermeshingEdit
Intermeshing rotors on a helicopter are a set of two rotors turning in opposite directions with each rotor mast mounted on the helicopter with a slight angle to the other so that the blades intermeshh without colliding. Taka konfiguracja jest czasami określana jako synchropter. Wirniki przeplatające się charakteryzują się wysoką stabilnością i potężną zdolnością podnoszenia. Układ ten został zapoczątkowany w nazistowskich Niemczech w 1939 roku w udanej konstrukcji Flettner Fl 265 Antona Flettnera, a następnie wprowadzony do ograniczonej produkcji jako udany Flettner Fl 282 Kolibri, używany przez niemiecką Kriegsmarine w niewielkiej liczbie (wyprodukowano 24 płatowce) jako eksperymentalny lekki śmigłowiec do zwalczania okrętów podwodnych. W okresie zimnej wojny amerykańska firma Kaman Aircraft produkowała HH-43 Huskie dla straży pożarnej i misji ratunkowych USAF. Najnowszy model Kamana, Kaman K-MAX, jest konstrukcją dedykowaną podniebnym żurawiom.
Wirniki poprzeczneEdit
Wirniki poprzeczne montowane są na końcach skrzydeł lub wysięgników prostopadle do korpusu statku powietrznego. Podobnie jak w przypadku wirników tandemowych i zazębiających się, wirnik poprzeczny również korzysta z różnicowego skoku zbiorczego. Podobnie jednak jak wirniki przeplatane, wirniki poprzeczne wykorzystują tę koncepcję do zmian w położeniu przechyłowym wiropłata. Konfigurację tę można znaleźć w dwóch pierwszych zdolnych do lotu śmigłowcach, Focke-Wulf Fw 61 i Focke-Achgelis Fa 223, a także w największym na świecie śmigłowcu, jaki kiedykolwiek zbudowano, Mil Mi-12. Jest to również konfiguracja spotykana w śmigłowcach typu tiltrotor, takich jak Bell-Boeing V-22 Osprey i AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Paryż, Francja, 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 i roll mogą być kontrolowane poprzez zmianę względnej siły nośnej różnych par wirników bez zmiany całkowitej siły nośnej.
Dwie rodziny profili aerodynamicznych to
- profile symetryczne
- profile asymetryczne
Symetryczne łopaty są bardzo stabilne, co pomaga utrzymać minimalne obciążenia związane ze skręcaniem łopat i kontrolą lotu. Środek nacisku to wyimaginowany punkt na linii cięciwy, gdzie wypadkowa wszystkich sił aerodynamicznych jest uważana za skoncentrowaną.
Dzisiaj projektanci używają cieńszych profili lotniczych i uzyskują wymaganą sztywność stosując materiały kompozytowe.
Dodatkowo, niektóre profile lotnicze mają asymetryczną konstrukcję, co oznacza, że górna i dolna powierzchnia nie mają tego samego pochylenia.
Normalnie te profile lotnicze nie byłyby tak stabilne, ale można to skorygować poprzez zginanie krawędzi spływu, aby uzyskać te same właściwości co symetryczne profile lotnicze. Nazywa się to „reflexing”. Użycie tego typu łopaty wirnika pozwala na pracę systemu wirnikowego przy wyższych prędkościach do przodu.Jednym z powodów, dla których asymetryczna łopata wirnika nie jest tak stabilna jest fakt, że środek ciśnienia zmienia się wraz ze zmianą kąta natarcia. Gdy środek siły podnoszącej ciśnienie znajduje się za punktem obrotu na łopatce wirnika, powoduje to wychylenie tarczy wirnika do góry. Gdy kąt natarcia wzrasta, środek nacisku przesuwa się do przodu. Jeśli przesuwa się przed punkt obrotu, nachylenie tarczy wirnika zmniejsza się. Ponieważ kąt natarcia łopatek wirnika stale się zmienia podczas każdego cyklu obrotowego, łopatki mają tendencję do trzepotania, piórkowania, wodzenia i klapania w większym stopniu.