De flesta helikoptrar har en enda huvudrotor men behöver en separat rotor för att övervinna vridmomentet. Detta åstadkoms med hjälp av en antitornrotor med variabel stigning eller en stjärtrotor. Detta är den konstruktion som Igor Sikorsky bestämde sig för i sin VS-300-helikopter, och den har blivit den erkända konventionen för helikopterkonstruktion, även om konstruktionerna varierar. När man ser det ovanifrån, så vrider sig de allra flesta helikopterrotorer moturs; rotorerna på franska och ryska helikoptrar vrider sig medurs.
Enkel huvudrotorRedigera
Med en helikopter med en enda huvudrotor skapar vridmomentet när motorn vrider rotorn en vridmomentseffekt som får helikopterns kropp att vrida sig i motsatt riktning mot rotorn. För att eliminera denna effekt måste någon form av antitornreglering användas med en tillräcklig effektmarginal för att helikoptern ska kunna bibehålla sin kurs och tillhandahålla girreglering. De tre vanligaste kontrollerna som används idag är stjärtrotorn, Eurocopters Fenestron (även kallad fantail) och MD Helicopters NOTAR.
StjärtrotorRedigera
Svansrotor är en mindre rotor som är monterad så att den roterar vertikalt eller nära vertikalt i änden av svansen på en traditionell helikopter med en rotor. Svansrotorns position och avstånd från tyngdpunkten gör att den kan utveckla dragkraft i motsatt riktning mot huvudrotorns rotation för att motverka den vridmomentseffekt som skapas av huvudrotorn. Stjärtrotorer är enklare än huvudrotorer eftersom de endast kräver kollektiva ändringar av lutningen för att variera dragkraften. Höjden på stjärtrotorns blad kan justeras av piloten med hjälp av pedalerna mot vridmomentet, som också ger riktningskontroll genom att piloten kan rotera helikoptern runt sin vertikala axel och därigenom ändra den riktning som farkosten är riktad mot.
KanalfläktEdit
Fenestron och FANTAIL är varumärken för en kanalfläkt som monteras i slutet av helikopterns stjärtbom och används i stället för en stjärtrotor. Kanalfläktar har mellan åtta och arton blad som är placerade med oregelbundet avstånd så att bullret fördelas över olika frekvenser. Höljet är integrerat med flygplansskalet och tillåter en hög rotationshastighet; därför kan en kanalfläkt ha en mindre storlek än en konventionell stjärtrotor.
Fenestron användes för första gången i slutet av 1960-talet på den andra försöksmodellen av Sud Aviations SA 340 och producerades på den senare modellen Aérospatiale SA 341 Gazelle. Förutom Eurocopter och dess föregångare användes en kanalfläkt-halsrotor också på det avbrutna militära helikopterprojektet, den amerikanska arméns RAH-66 Comanche, som FANTAIL.
NOTAREdit
NOTAR, som är en akronym för NO TAil Rotor, är ett antivridmoment-system för helikoptrar som gör att man inte behöver använda stjärtrotorerna på en helikopter. Även om det tog tid att förfina konceptet är NOTAR-systemet enkelt i teorin och ger antitorn på samma sätt som en vinge utvecklar lyftkraft genom att använda Coandă-effekten. En fläkt med variabel stigning är innesluten i den bakre delen av flygkroppen omedelbart framför stjärtbommen och drivs av huvudrotorns växellåda. För att ge sidokraft som motverkar det vridmoment medurs som produceras av en huvudrotor som snurrar moturs (sett ovanifrån huvudrotorn), tvingar fläkten med variabel stigning in luft med lågt tryck genom två slitsar på högra sidan av stjärtbommen, vilket gör att huvudrotorns nedåtgående luftströmmar omsluter stjärtbommen, vilket ger upphov till lyftkraft och därmed till ett visst mått av motmoment som är proportionerligt mot mängden luftflöde från rotorns nedåtgående luftströmmar. Detta förstärks av en direktstrålepropeller som också ger riktad girkontroll, med närvaro av en empennage med fast yta nära svansänden, som innehåller vertikala stabilisatorer.
Utvecklingen av NOTAR-systemet går tillbaka till 1975, då ingenjörer vid Hughes Helicopters inledde konceptutvecklingsarbetet. I december 1981 flög Hughes en OH-6A utrustad med NOTAR för första gången. En mer kraftigt modifierad prototypdemonstrator flög för första gången i mars 1986 och genomförde framgångsrikt ett avancerat flygprovningsprogram, vilket validerade systemet för framtida tillämpning i helikopterkonstruktionen. Det finns för närvarande tre produktionshelikoptrar som innehåller NOTAR-designen, alla tillverkade av MD Helicopters. Denna antitornkonstruktion förbättrar också säkerheten genom att eliminera möjligheten att personal går in i stjärtrotorn.
En föregångare (på sätt och vis) till detta system fanns i form av Storbritanniens Cierva W.9-helikopter, ett flygplan från slutet av 1940-talet som använde sig av kylfläkten från kolvmotorn för att trycka luft genom ett munstycke som var inbyggt i stjärtbommen för att motverka rotorns vridmoment.
Tip jetsEdit
Huvudrotorn kan drivas av tip jets. Ett sådant system kan drivas av högtrycksluft från en kompressor. Luften kan blandas eller inte blandas med bränsle och förbrännas i ram-, puls- eller raketmotorer. Även om denna metod är enkel och eliminerar vridmomentreaktion är de prototyper som har byggts mindre bränslesnåla än konventionella helikoptrar. Med undantag för tipjetmotorer som drivs av oförbränd komprimerad luft är de mycket höga bullernivåerna den enskilt viktigaste orsaken till att rotorer som drivs med tipjetmotorer inte har fått ett brett genomslag. Forskning om bullerdämpning pågår dock och kan bidra till att göra detta system genomförbart.
Det finns flera exempel på rotorflygplan som drivs av spetsstrålar. Percival P.74 var underdrivet och kunde inte flyga. Hiller YH-32 Hornet hade god lyftförmåga men presterade dåligt i övrigt. Andra luftfartyg använde sig av extra dragkraft för translationsflygning så att spetsstrålarna kunde stängas av medan rotorn autoroterade. Experimentella Fairey Jet Gyrodyne, 48-sitsiga Fairey Rotodyne-passagerarprototyper och McDonnell XV-1 compound gyroplanes flög bra med denna metod. Den kanske mest ovanliga konstruktionen av denna typ var Rotary Rocket Roton ATV, som ursprungligen var tänkt att lyfta med hjälp av en raketspetsad rotor. Det franska Sud-Ouest Djinn använde oförbränd komprimerad luft för att driva rotorn, vilket minimerade bullret och bidrog till att den blev den enda spetsjetdrivna rotorhelikoptern som gick i produktion. Hughes XH-17 hade en spetsjetdriven rotor, som fortfarande är den största rotor som någonsin monterats på en helikopter.
TvillingrotorerRedigera
Twin rotors turn in opposite directions to counteract the torque effect on the aircraft without relying on an antitorque tail rotor. Detta gör att flygplanet kan tillämpa den kraft som skulle ha drivit en stjärtrotor på huvudrotorerna, vilket ökar lyftkapaciteten. I huvudsak är det tre vanliga konfigurationer som utnyttjar den motroterande effekten på rotorflygplan. Tandemrotorer är två rotorer, en monterad bakom den andra. Koaxialrotorer är två rotorer som är monterade ovanför varandra på samma axel. Intermeshing-rotorer är två rotorer som är monterade nära varandra i en tillräcklig vinkel för att rotorerna ska kunna samverka över flygplanets ovansida. En annan konfiguration – som finns på tiltrotorer och vissa tidiga helikoptrar – kallas tvärgående rotorer, där ett par rotorer är monterade i vardera änden av en vingliknande struktur eller utliggare.
TandemEdit
Tandemrotorer är två horisontella huvudrotoraggregat som är monterade bakom varandra. Tandemrotorer åstadkommer förändringar av lutningsläget för att accelerera och bromsa helikoptern genom en process som kallas cyklisk lutning. För att gå framåt och accelerera ökar båda rotorerna stigningen bakifrån och minskar stigningen framifrån (cykliskt) med samma vridmoment på båda rotorerna, och för att flyga i sidled ökar man stigningen på ena sidan och minskar stigningen på den andra. Giradkontroll utvecklas genom motsatt cyklisk stigning i varje rotor. För att svänga till höger lutar den främre rotorn åt höger och den bakre rotorn åt vänster. För att svänga till vänster lutar den främre rotorn till vänster och den bakre rotorn till höger. All rotorkraft bidrar till lyftet, och det är enklare att hantera förändringar i tyngdpunkten framåt och bakåt. Det kräver dock kostnader för två stora rotorer i stället för den vanligare en stor huvudrotor och en mycket mindre stjärtrotor. Boeing CH-47 Chinook är den vanligaste helikoptern med tandemrotorer.
CoaxialEdit
Koaxialrotorer är ett par rotorer som är monterade ovanpå varandra på samma axel och som vrider sig i motsatt riktning. Fördelen med den koaxiala rotorn är att vid framåtgående flygning kompenserar den lyftkraft som tillhandahålls av de framåtgående halvorna av varje rotor för den andra rotorns återgående halva, vilket eliminerar en av de viktigaste effekterna av dissymmetri av lyftkraft: återgående bladstall. Koaxialrotorer har dock andra konstruktionsaspekter. Rotorsystemet är mekaniskt sett mer komplicerat eftersom det krävs kopplingar och skivtallrikar för två rotorsystem. Eftersom rotorerna måste rotera i motsatt riktning är också masten mer komplex, och styrlänkar för pitchförändringar till det övre rotorssystemet måste passera genom det nedre rotorssystemet.
IntermeshingEdit
Intermeshing rotors på en helikopter är en uppsättning av två rotorer som roterar i motsatt riktning med varje rotormast monterad på helikoptern med en liten vinkel mot den andra så att bladen griper in i varandra utan att kollidera. Denna konfiguration kallas ibland för en synkronrotor. Inbördes rotorer har hög stabilitet och en kraftfull lyftförmåga. Arrangemanget var banbrytande i Nazityskland 1939 med Anton Flettners framgångsrika Flettner Fl 265-konstruktion och sattes senare i begränsad produktion som den framgångsrika Flettner Fl 282 Kolibri, som användes av den tyska krigsmarinen i ett litet antal (24 tillverkade flygkroppar) som en experimentell lätt helikopter för ubåtsbekämpning. Under det kalla kriget tillverkade ett amerikanskt företag, Kaman Aircraft, HH-43 Huskie för USAF:s brandbekämpnings- och räddningsuppdrag. Den senaste Kaman-modellen, Kaman K-MAX, är en dedikerad sky crane-konstruktion.
TransverseEdit
Tvärgående rotorer är monterade på änden av vingar eller utskjutare vinkelrätt mot flygplanskroppen. I likhet med tandemrotorer och intermeshing-rotorer använder den tvärgående rotorn också differentiell kollektiv pitch. Men i likhet med de sammanflätade rotorerna använder de tvärgående rotorerna konceptet för förändringar i rotorplanets rullställning. Denna konfiguration finns på två av de första livskraftiga helikoptrarna, Focke-Wulf Fw 61 och Focke-Achgelis Fa 223, samt på världens största helikopter som någonsin byggts, Mil Mi-12. Det är också den konfiguration som återfinns på tiltrotatorer som Bell-Boeing V-22 Osprey och AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Paris, Frankrike, 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 och roll kan styras genom att ändra den relativa lyftkraften hos olika rotorpar utan att ändra den totala lyftkraften.
De två flygplansfamiljerna är
- symmetriska flygplansblad
- asymmetriska flygplansblad
Symmetriska blad är mycket stabila, vilket bidrar till att hålla bladets vridning och flygstyrningsbelastningen på ett minimum.Denna stabilitet uppnås genom att tryckcentret hålls i stort sett oförändrat när angreppsvinkeln ändras. Tryckcentrum är den imaginära punkten på ackordlinjen där resultanten av alla aerodynamiska krafter anses vara koncentrerade.I dag använder konstruktörer tunnare flygplansprofiler och uppnår den nödvändiga styvheten genom att använda kompositmaterial.
Den är dessutom asymmetriskt utformad, vilket innebär att den övre och den undre ytan inte har samma krökning.Normalt sett skulle dessa flygplansprofiler inte vara lika stabila, men detta kan rättas till genom att bocka bakkanten så att den får samma egenskaper som symmetriska flygplansprofiler. Detta kallas ”reflexering”. Genom att använda denna typ av rotorblad kan rotorsystemet arbeta vid högre framåtgående hastigheter. Ett av skälen till att ett asymmetriskt rotorblad inte är lika stabilt är att tryckcentrumet förändras med förändringar i anfallsvinkeln. När tryckcentrumets lyftkraft ligger bakom rotorbladets vridpunkt tenderar det att få rotorskivan att luta uppåt. När angreppsvinkeln ökar rör sig tryckcentrumet framåt, och om det rör sig framför vridpunkten minskar rotorskivans lutning. Eftersom angreppsvinkeln för rotorbladen ständigt förändras under varje rotationscykel tenderar bladen att flaxa, fjädra, leda och slå i större utsträckning.