TESZERAKT SCI-FI KLUB

 

A helikopter repülési elve
1997 IX.17

Két utas a helikopterben beszélgetnek :
-
Valami baj van ! – mondja az egyik. Nézd csak, hogyan izzad a pilóta.
- Mit csodálkozol ? – lepõdik meg a másik. Biztos melege van. Nem látod, hogy megállt a fejünk fölött levõ nagy ventilátor ?

Az ember már nagyon régóta vágyódik repülni, és gondolom mindenki számára ismeretesek a mû madárszárnyakkal való repülési kísérletek, nem beszélve az Ikarusz legendájáról.
A középkor egyik legkiemelkedõbb géniusza Leonardo da Vinci volt aki papírra vetette az elsõ helikopter vázlatát. Nagyjából ez egy hatalmas függõleges csiga propellerbõl állt.

Az igazi repülõ szerkezetek akkor jelentek meg mikor felfedezték a portáns erõ megjelenésének okát. A repülõgép szárnynak van egy jellegzetes alakja. Mint a rajzon is látható a légáramlat a szárny felsõ felén gyorsabb mint annak alsó felén, ebbõl következõleg megjeleni a felhajtó erõ.
Ahhoz, hogy errõl meggyõzõdjünk, végezzünk el egy pár kísérletet.
Egy rúdra függesszünk fel a rajzon látható módon egy papírlapot, majd egy csõvel fújjunk el a két papírlap között. Azt várnánk, hogy a lap két szára eltávolodik egymástól a széláramlat következtében, viszont meglepetten tapasztalni fogjuk, hogy pont az ellenkezõje történik, a két szár egymás fele közeledik !


Hajlítsunk meg egy papírlapot U alakban majd, két szárával lefele fordítva, helyezzük az asztalra. Ha most a csõ segítségével elfújunk a lap alatt ahelyett, hogy felborulna még jobban az asztalhoz tapad, és ha gyengébb a papír, akár be is görbül a felsõ fele !
Mindez annak a termodinamikai törvénynek a következménye mely kimondja, hogy egy áramló folyadéknak kisebb a nyomása mint egy álló helyzetben levõnek !
A felfüggesztet lap szárai között áramlik a levegõ, így a nyomás kisebb lesz és a külsõ légnyomás egymásnak taszítja a lap két szárát. Az „U” alakú papír alakzatunk alatt ha elfújunk, akkor ott kisebb lesz a nyomás, így a külsõ légnyomás az asztalnak préseli.
A repülõgép szárny esetében is ez történik. A szárny felsõ felén gyorsabban áramlik a levegõ, tehát kisebb a nyomás, az alsó felén pedig az áramlás lassú, tehát  nagyobb a nyomás, így megjelenik egy felhajtó erõ.
Érdekesség képen említsük meg a kolozsvári történelmi múzeumban levõ repülõ szerkezetet. Ezt Martin Lajos (1827-1897) készítette, aki a kolozsvári egyetem matematikai professzora volt. 1855-ben fõhadnagy fokozattal egy találmányán kísérletezik Triesztben egy, késõbb az egész világon elterjedt, hajócsavarral. A helyszínen bizonyítja, hogy a  hajócsavar sokkal hatékonyabban továbbítja a gõzgép forgó nyomatékát, mint az általa leszereltetett otromba lapátkerék. A mozgás, pontosabban a forgatómozgás szeget ütött Martin Lajos fejében, és minden késõbbi szabadalmaztatott találmánya erre épül.


1870-ben elkészítette a légsiklóját, amely a madárrepülést igyekezett utánozni. Meghajtásként négy „lebegõ kerék” volt felszerelve rá, azaz jó tucatnyi propellerszárny. Közelrõl tekintve egy-egy légcsavarszárny, vagy ha úgy tetszik elem, körülbelül karhosszúságú, vastagabb favonalzóra emlékeztet, amely a légycsavar központi részében úgy van beillesztve, hogy légcsavar-tengelyre ne csak merõlegesen és fixen álljon, hanem meglehetõsen lazán is. Erre ezért volt szükség mert az egész repülõ szerkentyû két-két propellere összedolgozott olyannyira, hogy a légcsavar-elemek végei egymást nyomva haladtak lefele és felfele egyaránt. Ugyanez történt a két hátsó, hasonlóan akkora légcsavarral is, azzal a különbséggel, hogy ezek „tandem”- elhelyezésûek voltak. A légcsavarvégeknek azért kellett egymásba fogódzniuk, hogy ezáltal két-két légcsavarelem egyforma csûrõmozgást is végezzen. A légcsavar tengelyét  a két pedálra szerelt rúd mozgatta egy megfelelõ és igen elmés bronz-fogaskerék áttételû szerkezet segítségével.
Ezzel a kísérleti készülékkel, 1986 augusztus 30-án, három személy vált el a földtõl és emelkedett fel két-négy méter magasra a levegõbe : a feltaláló, Bartha Gergely kolozsvári tûzoltóparancsnok és Deésy Sándor mechanikus.


A helikopter propellernek pontosan ugyan olyan profilja van mint a repülõgépszárnynak. A forgásban levõ légcsavar a már ismert módon kelti a felhajtó erõt, igen ám de ez csak felemeli a helikoptert. Mi az ami elõre is hajtja ?


Kezdetben ezt úgy próbálták megoldani, hogy módosították a légi jármú súlypontját.
Ennek következtében a repülõ szerkezet megdõlt és a felhajtó erõ megoszlott két részre, amibõl az egyik elõre húzta a helikoptert. Ez a megoldás viszont nagyon nehézkés volt, rendkívül bizonytalan repülést eredményezet, és nagyon kicsi volt az elõre haladó sebesség. A forgó propellerekkel volt még egy baj. Mint ismeretes a propeller lapátokon megjelenõ felhajtó erõ függ a légáramlat sebességétõl.



Mikor a rotor vízszintesen halad, akkor a propeller A és B lapátjai relatív más-más sebességûek. A lapátnak mely elõre halad (A) relatív nagyobb a sebessége a levegõhöz viszonyítva mint annak amelyik vissza vonul (B), mert most az egész forgórész haladási sebessége is számít. Ha a lapátok sebessége 180 m/s és a helikopter vízszintes sebessége 180 km/h akkor, az A lapát végén a lapát és levegõ közötti sebesség VA = 830 km/h lesz, míg a B lapátnál csak VB = 470 km/h ! Nyilvánvaló, hogy a felhajtó erõ az A részen nagyobb mint a B-ben, így az elsõ aerogíreknél ez az erõ felborította a szerkezetet. Hogy kiküszöböljék ezt a jelenséget a lapát és a propeller tengelye között egy csuklót szereltek be („verõ mozgás”).


A felhajtó erõ még függ egy tényezõtõl, éspedig a lapátok támadó szögétõl. Ez tulajdonképpen nem jelent mást, mint az a szöget amiben a rotor lapátot elforgatjuk a hosszanti tengelyéhez viszonyítva. Ez lehet akár negatív értékû is, így akkor a forgó propellerek a földhöz tapasztják a helikoptert. Mivel a rotor forgásban van, ennek a forgó nyomatéknak kell egy ellenerõ, máskép a helikopter teste is forogna ellenkezõ irányban a lapátok forgásával. Ezt érik el a farok rotorral. Ez egy taszító erõt termel ami ellenáll ennek a tendenciának.



Hogyan történik akkor az elõre haladás? Amikor a pilóta a botkormányt pl. elõre nyomja elõre dõl a rajzon látható kardán kereszten mozgó csapágy is. Ehhez vannak viszont rögzítve viszont azok a szabályzó karok melyek a lapátok támadó szögét szabályozzák. Ennek következtében egy fordulat közben minden lapát váltakozó támadó szöget mutat, így váltakozó felhajtó erõt is. Ez egy olyan hatást eredményez mintha fizikailag elõre dõntötûk volna a rotort, és az elõre haladási erõ pont úgy jelenik meg mint ahogy a tömegközéppont váltózásánál láttuk. Bármilyen irányban dõlt el a  pilóta a botkormányt a lapátok támadó szöge ott váltózik, így a felhajtó erõ is, a helikopter pedig abba az irányba repül. Amikor egy helyben ál, de a forgó lapátok alatt fordul meg a helikopter teste, olyankor a pilóta a lábainál található pedálokkal változtatja (növeli vagy csökkenti) a farok rotor nyomatékát, így a gép elfordul helyben jobbra vagy balra.
A pilóta bal kezénél található egy kar melynek felemelésével növeli a motor fordulatszámát de ugyanakkor ezzel felemeli az rotor tengelyén található csapágyat is, vagyis egyszerre változtatja meg az összes lapátnak a támadó szögét. A helikopter a földön van, a rotor forog de a készülék mégse szál fel, bármilyen gyorsan is forognak a lapátok, mert a támadószögük negatív, vagyis a földhöz nyomják a gépet. Felemelve a baloldali kart, megváltozik a lapátok támadószöge, megjelenik tehát a felhajtó erõ és a helikopter a levegõben emelkedik.
A sok fejlesztés ellenére a helikoptereknek mégis maradt egy pár eredendõ hátránya, amelyek közül a legnagyobb a korlátozott maximális sebesség. Ennek oka, hogy amikor a rotor lapátjai forgás közben elõre fordulnak, azokon a körbeforgásból és a haladásból összetevõ sebesség jóval nagyobb, mint az éppen hátrafele forgó lapátokon, melyek forgási sebessége viszont levonódik a haladási sebességbõl. Így egyrészt nagy sebesség-, következõképpen felhajtóerõ és terheléskülönbség áll elõ az elõre, illetve hátrafele forgó lapátokon, másrészt – és ez a nagyobb baj – mivel az éppen elõreforgó lapátok hegyén a levegõ áramlási sebessége megközelíti a hangét (ami „normál” légkörben kereken 1.200 km/óra), rendkívüli mértékben megnõ a rotorok zaja, légellenállása , terhelése, stb. Olyannyira, hogy emiatt a leggyorsabb helikopter sem képes óránként 350 kilométernél sebesebben haladni. Ez pedig egy komoly hátrány a repülõgépekkel szemben. Jó lenne valami „kétéltû” repülõ szerkezetet megalkotni.
Az egyik ilyen próbálkozás az X szárnyú gép. Röviden arról van szó, hogy egy négyrotoros, X-szárnyú helikopter rotorjait függõleges felszállás és a kellõ magasság elérése után leállítják, éspedig úgy, hogy a rotorok a menetiránnyal 45 fokos szöget zárjanak be. Mivel akkor a törzs két oldalán levõ sugárhajtómûvek ekkor már jelentõs sebességgel hajtják elõre a gépet, az X-szárnyakon (amelyek most már állnak, tehát többé már nem rotorok) a repüléshez elegendõ felhajtó erõ keletkezik. Van viszont egy gond, ami abból adódik, hogy csak akkor keletkezik felhajtó erõ egy szokványos rotor lapáton, ha annak a domborúbb elülsõ éle van szemben a légáramlattal. Nyilvánvaló tehát, hogy egy X-alakban beállított rotorból csak kettõn keletkezik haladás közben felhajtó erõ, a másik kettõben nem, így pedig a gép elbillen és lezuhan. Csak a szimmetrikus profilú rotorokon jöhet létre akkora felhajtó erõ, hogy mindegy a légáramlás elölrõl vagy hátulról éri-e azokat.
Az ilyen képtelenségnek látszó felhajtóerõ gerjesztésnek is megtalálták a módját. Elõvették a román származású Henri Coanda 1910-ben közétett találmányát. Ennek lényege az a felismerés, hogy ha valamely felületre laposan levegõt áramoltatnak, a levegõ „hozzátapad” a felülethez, nem egyenesen halad tovább hanem követi annak íveléseit.
Ezt az elvet felhasználva olyan szimmetrikus helikopter rotort készítettek, amely elõl-hátul azonos domborulatú, és amin az élek közelében hosszanti rést alakítottak ki. Ha a réseken át levegõ áramlik a rotor felsõ felületére, az a Coanda-hatás szerint a felületen halad tovább. Ha pedig a rotort megforgatják, a forgási és a Coanda–hatásból következõ sebesség egyesülve, felül felgyorsítja az áramlást, és a felhajtó erõ keletkezik. Akkor is, ha a rotort elõre, és akkor is ha rotort hátra forgatják.
Ezek után már „csak” azt kellett megoldani, hogy függõleges repülés közben a gázturbinák légsûrítõjébõl elvezessék a körben forgó rotorlapátokba a kifúvandó sûrített levegõt.