Majoritatea elicopterelor au un singur rotor principal, dar au nevoie de un rotor separat pentru a depăși cuplul. Acest lucru se realizează prin intermediul unui rotor anticuplu cu pas variabil sau al unui rotor de coadă. Acesta este designul pe care Igor Sikorsky l-a stabilit pentru elicopterul său VS-300 și a devenit convenția recunoscută pentru proiectarea elicopterelor, deși modelele variază. Când sunt privite de sus, marea majoritate a rotoarelor elicopterelor se rotesc în sens invers acelor de ceasornic; rotoarele elicopterelor franceze și rusești se rotesc în sensul acelor de ceasornic.
Rotor principal unicEdit
La un elicopter cu un singur rotor principal, crearea cuplului pe măsură ce motorul rotește rotorul creează un efect de cuplu care determină corpul elicopterului să se rotească în direcția opusă rotorului. Pentru a elimina acest efect, trebuie utilizat un fel de control anticuplu, cu o marjă suficientă de putere disponibilă pentru a permite elicopterului să își mențină direcția și să asigure un control al botului. Cele mai comune trei comenzi utilizate în prezent sunt rotorul de coadă, Fenestronul de la Eurocopter (numit și fantail) și NOTAR de la MD Helicopters.
Rotorul de coadăEdit
Rotorul de coadă este un rotor mai mic montat astfel încât să se rotească vertical sau aproape vertical la capătul cozii unui elicopter tradițional cu un singur rotor. Poziția și distanța rotorului de coadă față de centrul de greutate îi permit să dezvolte împingerea într-o direcție opusă rotației rotorului principal pentru a contracara efectul de cuplu creat de rotorul principal. Rotoarele de coadă sunt mai simple decât rotoarele principale, deoarece necesită doar modificări colective ale pasului pentru a varia împingerea. Pasul paletelor rotorului de coadă este reglabil de către pilot prin intermediul pedalei anti-cuplu, care asigură, de asemenea, controlul direcțional, permițând pilotului să rotească elicopterul în jurul axei sale verticale, schimbând astfel direcția în care este îndreptată aeronava.
Ventilator canalizatEdit
Fenestron și FANTAIL sunt mărci comerciale pentru un ventilator cu conducte montat la capătul brațului de coadă al elicopterului și utilizat în locul unui rotor de coadă. Ventilatoarele canalizate au între opt și optsprezece palete dispuse cu o spațiere neregulată, astfel încât zgomotul să fie distribuit pe diferite frecvențe. Carcasa face parte integrantă din învelișul aeronavei și permite o viteză de rotație ridicată; prin urmare, un ventilator canalizat poate avea dimensiuni mai mici decât un rotor de coadă convențional.
Fenestronul a fost utilizat pentru prima dată la sfârșitul anilor 1960 pe cel de-al doilea model experimental SA 340 de la Sud Aviation și produs pe modelul ulterior Aérospatiale SA 341 Gazelle. Pe lângă Eurocopter și predecesorii săi, un rotor de coadă cu ventilator canalizat a fost folosit și pe proiectul de elicopter militar anulat, RAH-66 Comanche al armatei Statelor Unite, sub numele de FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, un acronim pentru NO TAil Rotor, este un sistem anti-cuplu de elicoptere care elimină utilizarea rotorului de coadă pe un elicopter. Deși a fost nevoie de ceva timp pentru a rafina conceptul, sistemul NOTAR este simplu în teorie și oferă anticuplu în același mod în care o aripă dezvoltă portanță prin utilizarea efectului Coandă. Un ventilator cu pas variabil este înglobat în secțiunea posterioară a fuselajului, imediat în fața brațului de coadă, și este acționat de transmisia rotorului principal. Pentru a furniza forța laterală care să contracareze cuplul în sensul acelor de ceasornic produs de un rotor principal care se rotește în sens invers acelor de ceasornic (așa cum se vede de deasupra rotorului principal), ventilatorul cu pas variabil forțează aerul de joasă presiune prin două fante din partea dreaptă a brațului de coadă, ceea ce face ca jetul descendent al rotorului principal să îmbrățișeze brațul de coadă, producând portanță și, prin urmare, o măsură de anticuplu proporțională cu cantitatea de aer din jetul descendent al rotorului. Acest lucru este sporit de un propulsor cu jet direct, care asigură, de asemenea, controlul direcțional al căderii, cu prezența unui empenaj cu suprafață fixă lângă capătul cozii, care încorporează stabilizatori verticali.
Dezvoltarea sistemului NOTAR datează din 1975, când inginerii de la Hughes Helicopters au început lucrările de dezvoltare a conceptului. În decembrie 1981, Hughes a zburat pentru prima dată cu un OH-6A echipat cu NOTAR. Un prototip demonstrativ mai puternic modificat a zburat pentru prima dată în martie 1986 și a finalizat cu succes un program avansat de teste de zbor, validând sistemul pentru aplicații viitoare în proiectarea elicopterelor. În prezent, există trei elicoptere de serie care încorporează proiectul NOTAR, toate produse de MD Helicopters. Acest design anti-cuplu îmbunătățește, de asemenea, siguranța prin eliminarea posibilității ca personalul să intre în rotorul de coadă.
Un predecesor (oarecum) al acestui sistem a existat sub forma elicopterului Cierva W.9 al Marii Britanii, o aeronavă de la sfârșitul anilor 1940 care folosea ventilatorul de răcire de la motorul său cu piston pentru a împinge aerul printr-o duză încorporată în brațul de coadă pentru a contracara cuplul rotorului.
Tip jetsEdit
Rotorul principal poate fi acționat de jeturi de vârf. Un astfel de sistem poate fi alimentat de aer de înaltă presiune furnizat de un compresor. Aerul poate sau nu să fie amestecat cu combustibil și ars în jeturi de berbec, jeturi cu impulsuri sau rachete. Deși această metodă este simplă și elimină reacția de cuplu, prototipurile care au fost construite sunt mai puțin eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil decât elicopterele convenționale. Cu excepția jeturilor de vârf acționate cu aer comprimat nears, nivelul foarte ridicat de zgomot este cel mai important motiv pentru care rotoarele acționate cu jet de vârf nu au fost acceptate pe scară largă. Cu toate acestea, cercetările privind eliminarea zgomotului sunt în curs de desfășurare și ar putea contribui la viabilizarea acestui sistem.
Există mai multe exemple de rotoavioane cu jet de vârf. Percival P.74 a fost subputere și nu a putut zbura. Hiller YH-32 Hornet a avut o bună capacitate de ridicare, dar a avut performanțe slabe în rest. Alte aeronave au folosit împingerea auxiliară pentru zborul de translație, astfel încât jeturile de vârf să poată fi oprite în timp ce rotorul se autogirează. Prototipurile experimentale Fairey Jet Gyrodyne, prototipurile de pasageri Fairey Rotodyne cu 48 de locuri și giroplanele compuse McDonnell XV-1 au zburat bine folosind această metodă. Poate că cel mai neobișnuit proiect de acest tip a fost ATV-ul Rotary Rocket Roton, care a fost inițial gândit să decoleze folosind un rotor cu vârful unei rachete. Francezul Sud-Ouest Djinn a folosit aer comprimat nears pentru a acționa rotorul, ceea ce a minimizat zgomotul și l-a ajutat să devină singurul elicopter cu rotor acționat cu jet de vârf care a intrat în producție. Hughes XH-17 a avut un rotor acționat cu jet de vârf, care rămâne cel mai mare rotor montat vreodată pe un elicopter.
Rotoare dubleEdit
Rotoarele duble se rotesc în direcții opuse pentru a contracara efectul de cuplu asupra aeronavei fără a se baza pe un rotor de coadă anticuplu. Acest lucru permite aeronavei să aplice puterea care ar fi acționat un rotor de coadă la rotoarele principale, crescând capacitatea de ridicare. În principal, trei configurații comune utilizează efectul de contra-rotație pe rotoare. Rotoarele tandem sunt două rotoare – unul montat în spatele celuilalt. Rotoarele coaxiale sunt două rotoare montate unul deasupra celuilalt pe aceeași axă. Rotoarele intermișcate sunt două rotoare montate unul lângă celălalt la un unghi suficient de mare pentru a permite rotoarelor să se întrepătrundă peste partea superioară a aeronavei. O altă configurație – întâlnită pe tiltrotoare și pe unele dintre primele elicoptere – se numește rotoare transversale, în care o pereche de rotoare sunt montate la fiecare capăt al unei structuri de tip aripă sau outrigger.
TandemEdit
Rotoarele tandem sunt două ansambluri de rotoare principale orizontale montate unul în spatele celuilalt. Rotoarele tandem realizează modificări ale atitudinii de pas pentru a accelera și decelera elicopterul printr-un proces numit pas ciclic. Pentru a înainta și a accelera, ambele rotoare măresc pasul în partea din spate și reduc pasul în partea din față (ciclic) păstrând același cuplu pe ambele rotoare, zborul în lateral se realizează prin creșterea pasului pe o parte și reducerea pasului pe cealaltă parte. Controlul de botală se dezvoltă prin opoziție de pas ciclic în fiecare rotor. Pentru a pivota spre dreapta, rotorul din față se înclină spre dreapta, iar cel din spate spre stânga. Pentru a pivota spre stânga, rotorul față se înclină spre stânga și rotorul spate se înclină spre dreapta. Toată puterea rotorului contribuie la portanță și este mai simplu să se gestioneze modificările centrului de greutate înainte-înapoi. Cu toate acestea, este nevoie de două rotoare mari, în loc de un rotor principal mare și un rotor de coadă mult mai mic, ceea ce este mai comun. Boeing CH-47 Chinook este cel mai comun elicopter cu rotor tandem.
CoaxialEdit
Rotoarele coaxiale sunt o pereche de rotoare montate una deasupra celeilalte pe același arbore și care se rotesc în direcții opuse. Avantajul rotorului coaxial constă în faptul că, în zbor înainte, portanța asigurată de jumătățile în avans ale fiecărui rotor compensează jumătatea în retragere a celuilalt rotor, eliminând unul dintre efectele cheie ale disimetriei portanței: pierderea de viteză a palei în retragere. Cu toate acestea, alte considerente de proiectare afectează rotoarele coaxiale. Există o complexitate mecanică sporită a sistemului de rotoare, deoarece este nevoie de legături și discuri oscilante pentru două sisteme de rotoare. De asemenea, deoarece rotoarele trebuie să se rotească în direcții opuse, catargul este mai complex, iar legăturile de comandă pentru schimbările de pas la sistemul superior al rotorului trebuie să treacă prin sistemul inferior al rotorului.
IntermeshingEdit
Rotoarele intermeshing de pe un elicopter sunt un set de două rotoare care se rotesc în direcții opuse, fiecare catarg al rotorului fiind montat pe elicopter cu un ușor unghi față de celălalt, astfel încât palele se întrepătrund fără a se ciocni. Această configurație se numește uneori sincropter. Rotoarele intermeshing au o stabilitate ridicată și o capacitate de ridicare puternică. Această configurație a fost inițiată în Germania nazistă în 1939 cu modelul de succes Flettner Fl 265 al lui Anton Flettner, iar mai târziu a fost introdus în producție limitată sub forma modelului de succes Flettner Fl 282 Kolibri, utilizat de Kriegsmarine germană în număr mic (24 de celule produse) ca elicopter experimental de luptă antisubmarin ușoară. În timpul Războiului Rece, o companie americană, Kaman Aircraft, a produs HH-43 Huskie pentru misiunile de stingere a incendiilor și de salvare ale USAF. Cel mai recent model Kaman, Kaman K-MAX, este un model dedicat macaralei cerului.
TransverseEdit
Rotoarele transversale sunt montate la capătul aripilor sau al stabilizatoarelor perpendicular pe corpul aeronavei. Similar rotoarelor în tandem și rotoarelor intermeshing, rotorul transversal utilizează, de asemenea, pasul colectiv diferențial. Dar, la fel ca rotoarele întrepătrunse, rotoarele transversale utilizează acest concept pentru modificări ale atitudinii de ruliu a rotorului. Această configurație se regăsește pe două dintre primele elicoptere viabile, Focke-Wulf Fw 61 și Focke-Achgelis Fa 223, precum și pe cel mai mare elicopter din lume construit vreodată, Mil Mi-12. Este, de asemenea, configurația care se regăsește pe tiltrotoare precum Bell-Boeing V-22 Osprey și AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Paris, Franța, 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. Înclinația, botul și ruliul pot fi controlate prin modificarea portanței relative a diferitelor perechi de rotoare, fără a modifica portanța totală.
Cele două familii de profile aerodinamice sunt
- Pale aerodinamice simetrice
- Pale aerodinamice asimetrice
Palele simetrice sunt foarte stabile, ceea ce ajută la menținerea la minimum a sarcinilor de răsucire a palelor și de control al zborului.Această stabilitate se obține prin menținerea centrului de presiune practic neschimbat pe măsură ce se modifică unghiul de atac. Centrul de presiune este punctul imaginar de pe linia de coardă în care se consideră că se concentrează rezultanta tuturor forțelor aerodinamice.Astăzi, proiectanții folosesc profiluri mai subțiri și obțin rigiditatea necesară prin utilizarea materialelor compozite.
În plus, unele profiluri au un design asimetric, ceea ce înseamnă că suprafața superioară și cea inferioară nu au aceeași înclinare.În mod normal, aceste profiluri nu ar fi la fel de stabile, dar acest lucru poate fi corectat prin îndoirea marginii de fugă pentru a produce aceleași caracteristici ca și profilurile simetrice. Acest lucru se numește „reflexie”. Utilizarea acestui tip de pală de rotor permite sistemului rotoric să funcționeze la viteze de înaintare mai mari.Unul dintre motivele pentru care o pală de rotor asimetrică nu este stabilă este faptul că centrul de presiune se modifică odată cu schimbarea unghiului de atac. Atunci când centrul forței de ridicare a presiunii se află în spatele punctului de pivotare al unei pale de rotor, aceasta tinde să facă ca discul rotorului să se încline în sus. Pe măsură ce unghiul de atac crește, centrul de presiune se deplasează în față.Dacă se deplasează în fața punctului de pivotare, tangajul discului de rotor scade. Deoarece unghiul de atac al paletelor motorului se schimbă în mod constant în timpul fiecărui ciclu de rotație, paletele au tendința de a flutura, de a se panăra, de a pluti și de a se mișca într-un grad mai mare.