KAKO LETI HELIKOPTER

Piše: prof. dr Zlatko Petrović, dipl. ing.

Letjelice se mogu klasifikovati na različite načine, ali čemo se mi ovdje pozabaviti letjelicom koju nazivamo helikopter.

Na slici broj 1. su prikazane: letjelica bez krila (projektil); letelica sa fiksnim krilom (avion "Spitfajer"); letjelica sa zakretnim motorima ("Boing-Bell V22") i letjelica sa rotirajucim krilima (helikopter "Gazela"). Klasi letjelica sa rotirajucim krilima osim helikoptera još pripadaju žirodin i autožir. Te letjelice su prikazane na slici 2.

Helikopter, kao i večina drugih letečih mašina, ostvaruje svoj let pomoću specijalno profilisanih uzgonskih površina koje se u slučaju helikoptera kreću kružno oko obrtne ose rotora. Poprečni presjek tih uzgonskih površina se naziva - aeroprofil. O aeroprofilu detaljnije možete pročitati, takođe, u tekstu Aerodinamika. Sila koja djeluje na uzgonske površine se naziva aerodinamička sila. Ta se sila obično (u mislima) razlaže na dvije komponente: jednu normalnu na pravac brzine strujanja vazduha i drugu u pravcu te brzine (pogledati sliku 3.).

Na veličinu aerodinamičke sile utiću: visina leta (gustina vazduha), položaj aeroprofila u odnosu na nadolazeću vazdušnu struju (napadni ugao), veličina aeroprofila (površina krila) i brzina kretanja letjelice (kvadrat te brzine). Eksperimenti u aerotunelima se izvode tako, Što aeroprofil miruje, a vazduh struji oko njega. U prirodi su za pokretanje vazduha zadužene planetarne i kosmičke sile (rotacija Zemlje i Sunce).

Slika 4. prikazuje tipičan aerotunel, a slika 5. "Hariken Emili" (obično im se daju ženska imena), jasno je, da čekanje na jak vjetar da bi se ostvarila uzgonska sila nema smisla, mnogo je lakše kretati uzgonsku površinu kroz vazduh i na taj način ostvariti uzgon. Način kako se to izvodi može poslužiti za klasifikovanje različitih tipova letjelica. Osim projektila, sve pomenute letjelice koriste aeroprofil za ostvarivanje leta. Upravljanje letom je moguće, samo ukoliko možemo kontrolisati aerodinamičku silu. Kod letelica se najčešće primenjuju dva principa za aerodinamičke sile: promena brzine(i sa tim u vezi promjena potrošnje goriva) i promjena položaja krila u vazdušnoj struji (promjena napadnog ugla krila).
Glavna razlika izmedu aviona i helikoptera je ilustrovana na slici 6.

Avion u vazduhu održavaju fiksna krila, dok se kretanje aviona ostvaruje pomoću rotirajućih krila koja nazivamo - propeleri. Naravno, da postoje i drugi načini za ostvarivanje sile za kretanje aviona. Helikopter posjeduje samo jednu vrstu obrtnih krila, koja mu istovremeno služe za generisanje i uzgona i sile za kretanje kroz vazduh. Ta obrtna krila se nazivaju rotor. Da bi se spriječila rotacija kabine oko ose rotora kod nekih vrsta helikoptera postoji i pomoćni (repni) rotor. Rotacija se može sprijećiti i na druge načine (pogledati tekst o "AH-64"). Autožir je kombinacija aviona i helikoptera, kod koje propeler obezbjeđuje potrebnu silu za kretanje letjelice, a rotor pod uticajem vazduha slobodno rotira oko vertikalne ose stvarajući uzgon. Kod žirodina motor pokreće istovremeno i propeler i rotor. Od svih letjelica s obrtnim krilima jedino su helikopteri našli širu primjenu.
Obrtna krila rotora se nazivaju - lopatice. To su tanke i vitke aerodinamičke površine o kojima visi cijeli helikopter. Lopatice su toliko vitke, da je pri njihovom konstruisanju glavna briga obezbjediti da pri zaletanju ne zakače repnu konzolu helikoptera, jer se usljed Zemljine gravitacije znatno povijaju ka zemlji. Kada lopatice dostignu potrebnu brzinu rotacije problem deformacija se smanjuje, jer zatezanju lopatica pomaže centrifugalno ubrzanje (koje se mjeri u tonama i za najmanje letjelice}. Najoprerećeniji dio lopatica tada postaje korjen (veza lopatice za osu obrtanja). Na korjen lopatice djeluju momenti savijanja usljed aerodinamičke sile i sile istezanja usljed centrifugalne sile. Na slici broj 7. je pokazan oblik lopatica kada se rotor ne okreće i šema sila na lopatice kada se rotor okreće.

Da bi se izbjegla velika opterećenja lopatice u korjenu koje izazivaju aerodinamičke sile, umjesto krutog spoja lopatice sa rotorom ostvaruje se šarnirni spoj, čime se moment savijanja lopatice svodi na nulu. To znaći, da lopatica može slobodno da rotira oko svoje vezne tačke, a da je njen položaj determinisan ravnotežom centrifugalnih i aerodinamičkih sila. Mjesto spoja lopatica s osovinom rotora se naziva - glava rotora. Konstrukcija glave rotora može biti veoma komplikovana (pogledati sliku 8.), gdje je prikazana glava rotora helikoptera "Sea--king".

Na istoj slici je šematski prikazan šarnirni spoj lopatice s osom rotora. Ukoliko se aerodinamička sila na lopaticama povećava, povećava se i konusnost rotora, jer je ugao potreban da uravnoteži aerodinamičku silu i centrifugalnu silu veći.
Samo sa horizontalnim šarnirom bi bio riješen problem opterećenja pri vertikalnom penjanju i spuštanju. Pri vertikalnom penjanju bi bilo potrebno povećati aerodinamičku silu na lopaticama, a pri spuštanju je smanjiti. Povećana aerodinamička sila bi povećala konusnost rotora, a smanjena bi je naravno smanjila, što je šematski prikazano na slici 9.

Ali, kako kontrolisati aerodinamičku silu? Na osnovu onoga što je rečeno o uzgonskim površinama zaključujemo, da je jedini mogući način za to povećavanje napadnog ugla lopatica, što znaći, da u mehanizam glave mora biti ugrađen i uređaj za promjenu koraka (postavnog ugla) lopatice. Rotori današnjih helikoptera se projektuju tako, da im se ugaona brzina veoma malo mjenja zbog opasnosti interferencije rotora s ostalim elementima helikoptera, tako da druga mogučnost promjenom brzine obrtanja rotora otpada.
Postoji još jedan problem opterečenja korjena lopatice pri vertikalnom letu. Pri promjeni napadnog ugla lopatice mjenja se i aerodinamička sila, koja diktira novi ravnotežni položaj lopatice. Nova ravnoteža se ogleda kroz povećanje ili kroz smanjenje konusnosti rotora stvarajući efekat, sličan onome koji se javlja, kada klizać želi da napravi piruetu. Skupljanjem ruku ka tjelu povećava se ugaona brzina, dok se širenjem ona smanjuje. Slično važi i za lopatice rotora. Podizanjem lopatica se javlja tendencija ka ubrzavanju rotacije lopatica oko ose obrtanja, što je sprečeno fiksnim brojem obrtaja rotora, tako da ta tendencija dodatno opterećuje korjen lopatice, koji je i inaće najopterećenije mjesto rotora. Kompenzacija ove vrste opterećenja se ostvaruje uvođenjem vertikalnog šarnira, tako da se lopatici dozvoljava slobodno kretanje i u horizontalnoj ravni. Na slici 10. su šematski prikazana sva tri moguća kretanja lopatice.

Kretanje u vertikalnoj ravni se naziva - mahanje, u horizontalnoj ravni - zabacivanje, a promjena napadnog ugla se naziva - promjena koraka lopatice.
Sa slike 9. se vidi, da pomjeranjem poluga nagore povećavamo korak lopatica helikoptera, a da pomjeranjem poluga nadole smanjujemo korak lopatica. Time se povećava i smanjuje aerodinamička sila rotora. Ali, horizontalni let uvodi dodatne komplikacije. Na jednom djelu rotora se brzina rotiranja i brzina leta sabiraju (izazivajući povećanje aerodinamičke sile), dok se na drugom djelu rotora brzine oduzimaju, što za posljedicu ima smanjenje aerodinamičke sile (slika 11.).

Posljedica ovoga je tendencija, da se helikopter prevrne preko ravni rotora. Osim te tendencije, tako velike razlike u uzgonskoj sili bi stvarale i velike vibracije u letjelici. Zato se na mjestima sabiranja brzina pri horizontalnom letu smanjuje korak lopatice (pa samim tim i napadni ugao aeroprofila), a na mjestima oduzimanja brzina korak se povećava. Ovim se znatno umanjuje neravnomjernost aerodinamičke sile po ravni rotora, ali helikopter i dalje ostaje opasna vibro-mašina. Horizontalni let nameće potrebu ciklićne promjene koraka lopatica tjerajući lopatice da kontinualno mjenjaju svoj korak. Taj zadatak se ostvaruje cikloprstenom, čija je principijelna šema data na slici 12.

Paralelnim pomjeranjem cikloprstena svim lopaticama se mjenja korak za istu veličinu, a naginjanjem prstena se vrši ciklićna promjena koraka.
Cikloprsten omogućuje naginjanje konusa rotora naprijed, nazad ili prema bokovima helikoptera. Naklonom rotora se stvara komponenta sile, koja kreće helikopter u horizontalnoj ravni. Jasno je, da je za ovo kretanje potrebna dodatna energija, jer i dalje moramo imati komponentu sile kojom se neutrališe dejstvo Zemljine teže. Detalje, vezane za samo naklanjanje rotora, razjasnićemo sljedeći put. Na slici 13. su šematski prikazani osnovni manevri helikoptera u horizontalnoj ravni, koji se izvode naginjanjem rotora.