1. HELIKOPTER V SPLOŠNEM

1.1 Vrste

1.2 Glavni rotor

1.2.1 Glavni rotor - krmiljenje

1.3 Repni rotor

2. OSNOVE AERODINAMIKE HELIKOPTERJA

2.1 Helikopterski aeroprofili

2.2 Relativni zračni tok, poenostavljen popis kotov in sil na profilu

2.3 Vzgon, upor, centrifugalna sila

3. DISK ROTORJA

3.1 Disk rotorja in ravnine

3.2 Translacijski vzgon

3.3 Disimetrija vzgona

4. REŽIMI LETA

4.1 Lebdenje, talni efekt

4.2 Horizontalni let

4.3 Avtorotacija in H/V diagram

5. PRAKTIČNE LASTNOSTI HELIKOPTERJEV

5.1 Obremenitve diska rotorja

5.2 Talna resonanca

1. HELIKOPTER V SPLOŠNEM

Beseda helikopter je grška sestavljenka iz »helikos« - vijak in »pteron« - krilo.

Prvi »vijakar« , ki je bil zmožen navpičnega dviga in pristanka je bi zgrajen leta 1907. Mehanik Cornu je z njim ostal v zraku 2 minuti, 1 meter visoko.

Ob koncu prve svetovne vojne se je za kratko obdobje pojavila era avtogira, ki se je s svojimi tedanjimi sposobnostmi približal tedanjim letalom.

Prvi uspešni helikopterji so se pojavili tik pred pričetkom druge svetovne vojne. Osnovno shemo konstrukcije, kakršno je definiral konstruktor Igor Sikorski - glavni in repni rotor, se je ohranila vse do danes.

Oče sodobnega helikopterja Igor Sikorski.

Helikopter lahko vidimo tudi kot skupino štiridesettisoč prostih delov, ki letijo bolj ali manj v formaciji.

Helikopter ima tako kot vsak objekt svoje osi. V nadaljevanju se bomo srečevali z izrazi kot so nagib, naklon smer in njihovimi bolj razširjenimi tujkami.

1.1 Vrste

Kot prvo: najboljšega helikopterja na svetu ni. Vsak helikopter je narejen za svoj namen. Nekateri so hitri, nekateri lahko dvignejo zelo težke tovore, spet drugi lahko v svojo kabino sprejmejo precej volumsko zahtevnega tovora, drugi pa nitinimajo prtljažnega prostora. Obstajajo pa tudi taki, ki so varčni in poceni za vzdrževanje.

Modelarji lahko iz helikopterja izvlečemo veliko več, saj ima ogromno razmerje moč/masa, v zameno za to pa ostanemo na tleh

Z leti se je razvilo več konfiguracij in vsaka od njih ima svoj način spopadanja z nastalimi momenti. Kljub temu so vse krmarljive v vseh oseh, ki definirajo helikopter, sigurno pa ga najbolj definira navpična os, ki je primarna smernicavzgona.

Podobne sisteme najdemo tudi na modelarskem področju, predvsem v scale RC, kamor sodijo leteče makete helikopterjev.

Po konstrukciji delimo helikopterje na te konfiguracije -klikni na slikico za večji format- :

- helikopter z enojnim rotorjem

- helikopter s sistemom tandem rotorjev

- helikopter s koaksialnim sistemom rotorjev

- helikopter s sistemom dveh rotorjev eden ob drugim, kamor spada tudi Tilt rotor in Kaman-ov izmenični sistem

95% vseh 1:1 helikopterjev je sistem z glavnim in repnim rotorjem, verjetno pa je še večji procent teh konfiguracij v modelarstvu.

1.2 Glavni rotor

Po zasnovi

Vsi današnji glavni rotorji so več ali manj sestavljeni iz teh komponent:

Te komponente lahko naredijo rotor -klikni na slikico za večji format-:

- artikuliran (Seaking)

- nagibni (Bell 212)

- poltogi (MBB-105, Bell 412)

- togi (EC135)

Izvor slik: internet

Velika večina modelarskih rotorskih sistemov je poltogega tipa in ne nagibnega (see saw), ker le ta nima mahanja v glavi rotorja ampak v krakih samih.

Modelarski sistem glavnega rotorja

Ne bom igral g. Toporišiča in za vsak angleški izraz iskal slovenskega. Kjer sem našel slovenske izraze bom le te uporabil, drugače se zna kje pojaviti le angleški zapis.

Kako ime sem prilagodil tako, da ustreza funkciji na helikopterju, ne se pa na te izraze zanašati kot splošno prepoznavne. Kot taki veljajo angleški izrazi.

Rotorski sistem elektrohelikopterja Hurricane 550:

O samem delovanju in funkciji komponent glavnega rotorja pa v nadaljevanju.

Smer vrtenja glavnega rotorja ni pomembna, je pa pomembno kako je glede na izbrano smer vrtenja montiran repni rotor. Vrtenje proti urinemu kazalcu je značilnost helikopterjev ameriškega, nemškega in japonskega izvora, v smeri urinega kazalca pa ruskega, francoskega in indijskega izvora. Je pa to tudi smer vrtenja večine modelarskih helikopterjev.

Naj bo sistem rotorja togi, poltogi, artikuliran ali nagibni, vsi omogočajo krakom gibanje okrog vseh treh osi. Prosto gibanje kraka je pomembno zato, ker pri vrtenju krakov zaradi vzgona, upora incentrifugalne sile prihaja do zelo velikih napetosti na točki vpetja kraka, ki bi v popolnoma togem sistemu povzročile zelo hitro odpoved materiala.

Kje se izvaja samo mahanje kraka je odvisno od sistema glavnega rotorja. Pri togem rotorju se npr. vsa gibanja dogajajo v kraku samem, brez kakršnih koli mehanskih tečajev. Na spodnji sliki je artikuliran sistem, kjer so vse tri osi gibanja kraka mehanske.

Do tega, zakaj pride do teh premikov krakov, bomo pogledali v nadaljevanju.

2. OSNOVE AERODINAMIKE HELIKOPTERJA

2.1 Helikopterski aeroprofili

Helikopterski aeroprofili so od začetka do danes prehodili kar dolgo pot, med tem pa so pridobili veliko število predelav in izboljšav.

Prvi kraki v 1:1 merilu so bili simetričnega profila, le te pa so kmalu zamenjali zelo napredni nesimetrični profili. Na repnih rotorjih so prav tako večinoma nesimetrični profili.

Tako obliko ima lopatica EC135. Materiali so korak pred modelarskimi, saj so zaenkrat še vse sestavine skrivne.

Nesimetričnega ločimo od simetričnega po skeletnici. V kolikor je skeletnica ravna črta prekrita s tetivo, potem je to simetrični profil, ko je pa skeletnica izbočena proč od tetive, potem gledamo nesimetričniprofil.

Modelarski profili so večinoma vsi simetrilčni, tako na repnih kot glavnih rotorjih. Pravzaprav je težko dobiti nesimetričnega, razen če gre za najmanjše helikopterje, ki nimajo funkcije spremembe koraka.

Na modelarskem helikopterju je orgomno razmerje masa/moč, zato je neracionalno če že ne nesmiselno imeti nesimetrične profile. V nobenem primeru nas pri modelu ne skrbi, da bi nam kje zmanjkalo potiskaali vzgona, kje so šele pojavi interference zračnega toka, izgube potiska in s tem izgube kontrole nad helikopterjem.

Simetričen profil ponuja enostavnost in efektivnost. Tudi če želimo spremeniti smer vrtenja rotorja, ni nobene spremembe karakteristik.

2.2 Relativni zračni tok

Preden si pogledamo same profile v zračnem toku, si poglejmo nekaj osnov.

Relativni zračni tok je hitrost zračne mase glede na opazovano telo. Bistvo relativnega zračnega toka je, čeprav se telo giblje skozi zrak, zaradi lažje perspektive dogajanja na opazovanem telesu poenostavimoin rečemo, da telo miruje, zračni tok se pa z enako hitrostjo in nasprotno smerjo giblje na telo.

Enostaven primer. Vsi se kdaj vozimo s kolesom. Če imamo srečo in je brezveterje; takrat čutimo veter v obraz, ki je posledica našega gibanja skozi zrak. Relativni zračni tok je ta veter.

Ko piha veter, npr. iz desne proti levi glede na našo smer kolesarjenja, čutimo še vedno veter kot prej, le da se je premaknil in piha v nekoliko bolj v desni bok.

2.3 Vzgon, upor, centrifugalna sila

Vzgon helikopterski krak pridobi na enak način kot krilo pri letalu. Razlika je le v tem, da je pri rotorski lopatici obodna hitrost tista, ki zagotovi dinamični vzgon, pri letalu pa sama hitrost letala skozi zrak.

V splošnem dinamični vzgon lahko predstavita dve enostavni teoriji:

Prvo je "zakrivil" Bernoulli, ki je ugotovil, da zrak, ki giblje skozi cev, povzroči vedno bolj nižji tlak z večanjem hitrosti pretoka.

Iz tega dobimo teorijo o delcu, ki se na začetku profila razdeli na dva konca in vsak del mora priti na konec profila ob istem času. (skica spodaj)

Ker ima zgornji daljšo pot kot spodnji, mora potovati hitreje. Posledično se na zgornjem delu profila ustvari nižji tlak kot na spodnjem in profil posrka navzgor.

Drugo teorijo pojasnjuje Newtonov tretji zakon, ki pravi, da če z neko silo delujemo na neko telo, povzročimo enako a nasprotno silo - reakcijo. Vsaka akcija torej naredi enako a nasprotno reakcijo.

Torej; toliko zraka kot ga profil odbije in preusmeri navzdol, toliko sile mora delovati na profil navzgor.

Opomba: Navedene teorije so zelo grobe in služijo le osnovni predstavi kako nastaja vzgon in ne za analitično natančne izvedbe.

Poenostavljen popis kotov in sil na profilu

Zakaj poenostavljen? Nočem navajati preveč podatkov, ki v primeru predstave niso tako zelo pomembni. Sile na profilu so pomembne za nadaljne razumevanje določenih pojavov in režima avtorotacije.

Nastavni kot lahko rečemo da je kot, ki ga nastavljamo pri umerjanju kolektivne komande (največji in najmanjši nastavni kot kolektivne komande).

Vzgon na celotnem kraku

Vzgon na kraku je daleč od vzgona na krilu letala. Obodna hitrost s svojo porazdelitvijo spremeni vse. Hitrosti so največje na koncu kraka in najmanjše v korenu. Prvih 30% kraka v korenu je le za prenašanjesil, vzgona se v tem delu ne pridobi.

Modelarski kraki imajo po celotnem razponu konstantni kot. Krak se seveda malenkost zvija, ampak zelo malo v razponu desetink stopinj. Zaradi tega nastane zelo visoka koncentracija vzgonske sile prav nakoncu kraka. Modelarski helikopterji so talo ali tako naviti do skrajnosti, ampak kraki in rotorski sistem lahko prenesejo take obremenitve, zato nikjer ne boste srečali modelarskih krakov z zvitjem.

Posamezni krak generira vzgonsko silo, ki je poravokotna na krak. Tej sili kontrira sila teže kraka, ki deluje v težišču kraka. Poleg sile teže, sili vzgona kontrira v največji meri centrifugalna sila, ki drži kraknavzven. Od teh sil je odvisen kot konusa rotorja - beta. V praksi je beta nekje od 5 - 8°pri 1:1 helikopterjih in od nekaj desetink ° - do kakih 5°. Odvisno od hitrosti vrtenja rotorja in koliko kolektiva si privoščimo.

Včasih se zdi pri kakem hitrem malem t-rexu, da krak nima konusa. Vsak krak ima konus, res da zelo majhen ampak je tam, saj centrifugalna sila ne more biti neskončno.

Upor

Upor je sila, ki nasprotuje gibanju česarkoli skozi zrak oz drugi plin ali fluid. Ko rečemo "upor" moramo vedeti, da je le ta lahko posledica večih vrst upora, ki principelno delujejo drugače in v drugačnih okoliščinah.

Skupni upor je odvisen od hitrosti gibanja predmeta skozi zrak in je sestavljen iz:

- profilni upor - induciran upor - parazitni upor

Profilni upor je tisti upor, ki nastane kot posledica trenja krakov ali helikopterja skozi zrak. Ta vrsta upora se povečuje z porastom hitrosti.

Inducirani upor nastane na koncih krakov, in ga ironično povzroča vzgon. Večji kot je vpadni kot kraka, več bo vzgona, večji bo inducirani upor kraka. V primeru zračnih plovil z rotorjem se inducirani upormanjša z večanjem hitrosti plovila. Največji je inducirani upor v lebdenju!

Parazitni upor v glavnem ustvarjajo tisti deli helikopterja, ki ne proizvajajo vzgona, kot je trup, repni konus, podvozje, vertikalne površine, rotorski sistem, ipd. Ta upor, tako kot profilni upor, raste z večanjem hitrosti plovila.

S črtkano črto je označeno področje najmanjšega skupnega upora, ki določa hitrost najboljšega vzpenjanja, minimalno hitrost padanja v avtorotaciji in hitrost najmajše porabe.

Centrifugalna sila

Centrifugalna sila se pojavi, kadar se telo ne giblje premočrtno. Odvisna je od hitrosti in ukrivljenosti poti, po kateri se giblje. Čim večja je hitrost, tem večja je ukrivljenost, tem večja je sila, ki vleče telonavzven iz kroženja. Pri gibanju po krožnici je centrifugalna sila konstantna.

Sila, ki je uravnotežena s centrifugalno silo, je centripetalna in zagotavlja kroženje. Brez te sile bi telo oz. krak odneslo ven in nebi več krožil v isti krožnici. Obe sili delujeta iz težišča telesa oz. kraka!

Za enostaven primer lahko izračunamo centrifugalno silo na 550mm karbonskem kraku Hurricana, pri 1700 obratih na minuto, težišču kraka pri 0,305m od osi glave rotorja in masi kraka 107 g:

u = 1700 min-1 = 28,33 s-1 (obrati na sekundo) r = 0,305 m m = 0,107 kg

w (omega) = 2 * pi * n = 2*3,14*28,33 = 178,02s-1

Fc = w2 * r * m = 178,02s-1 kvadrat * 0,305 m * 0,107 kg = 1034,3 N

1 N (Newton) je približno 0.1kg, torej znaša centrifugalna sila na krak okrog 100kg!

3. DISK ROTORJA

Diska rotorja smo se že dotaknili v prejšnjem poglavju, v tem pa malo razširimo ta pojem.

Disk rotorja je pot, ki jo opišejo konci krakov rotorja. Teoretično lahko rečemo, da je disk rotorja primarni element krmiljenja helikopterja. Tja kamor bo disk nagnjen, tja bo šel helikopter.

3.1 DISK ROTORJA IN RAVNINE

Kot smo tudi že povedali, kraki rotorja morajo mahati, da dosežemo krmarljivost rotorja. S tem ko se nagne disk, se razmere na kraku v posameznih delih spremenijo. Ker se nekje poveča nastavni kot, drugjezmanjša, enkrat krak prehiteva in drugič zaostaja kot posledica večjega oz. manjšega zračnega upora.

Te pozicije imajo svoje oznake. Disk rotorja se oznacuje glede na položaj kraka, medtem ko se pozicije na helikopterju glede na smer dotoka zraka.

Označevanje glede na položaj kraka:

Označevanje glede na smer dotekajočega zraka (relativni zračni tok):

Disk rotorja je le ena od ravnin oz. osi v sistemu rotorja. Svojo ravnino in os opisuje tudi nihajna plošča in glava rotorja, ter še ravnina, ki nastane posledično zaradi nabojnega zraka.

3.2 TRANSLACIJSKI VZGON

Translacijski vzgon je tisti vzgon, ki nastane na disku rotorja kot posledica pritoka relativnega zračnega toka, torej ko je helikopter v režimu horizontalnega leta.

Da razumemo zakaj pride do translacijskega vzgona moramo začeti v režimu lebdenja. Helikopter lebdi, ker ima skozi rotor določen masni pretok zraka. Ta zrak povzroča vzgonsko siloin drži helikopter v zrak. Če helikopter lebdi z določeno hitrostjo pretoka zraka vi, potem se bo z večanjem te hitrosti dvigal in obratno, spuščal. Režim lebdenja vidimo na spodnji sliki:

Za približno oceno lahko z poenostavljenim izračunom pogledamo o kakih vrednostih govorimo. Primer spodaj je za dva helikopterja, 450 in 550 razred elektro. Izračun velja le zalebdenje v brezveterju.

Srednja hitrost zračnega toka skozi rotor modela helikopterja:

V translacijo!

Sedaj želimo da se helikopter premakne. Pri hitrosti približno od 2-5 km/h* nastanejo na uč take razmere. Zrak pred helikopterjem se prične vrtinčiti, za sam premik pa potrebujemomalenkost več kolektivne komande.

Ko helikopter enakomerno pospešuje, se pri približno 5-8 km/h* vrtinčenje poveča, skozi disk rotorja pa dobimo že nekaj nabojnega zraka, ki ob povečani inducirani hitrosti skozi rotorpomeni, da bo helikopter začel rahlo vzpenjati, oz. nastavimo malenkost manjši kolektiv in ohranimo višino.

* govorim o približnih vrednostih iz prakse. Prehod iz lebdenja v translatorni vzgon gre pri modelih zelo hitro, natančne vrednosti pa izmerim takoj ko dobim eagletree opremo. Rezlutatebom objavil tu.

Ko helikopter preide iz lebdenja v translatorni vzgon to navadno opazimo ker postane helikopter nemiren, kot bi prišel v turbulenco, ter dobi rahel nagib v desno. Vse to je posledicasprememb zračnega toka na krakih rotorja.

Če se spomnimo krivulj upora, potem vemo, da bomo z pospeševanjem do določene hitrosti potrebovali vedno manj kolektivne komande. Od te točke naprej bomo z večanjem hitrostipotrebovali spet več kolektiva. Kot vidimo spodaj, diagrama upor/hitrost in potrtebna moč hitrost sovpadata v vseh pogledih.

Dejanski downwash:

Samo za predstavo: tako približno izgleda zračni tok pod helikopterjem v režimu lebdenja. Dim nam da vedeti, da se zrak skozi rotor vrtinči navzdol, v smeri vijačnice (smer vrtenjarotorja), ter da je zrak precej turbulenten.

3.3 DISIMETRIJA VZGONA

Prepričan sem, da se pri vsakodnevnem letenju srečujete s tem, vendar z vajenim gibom ciklične palice zadušite motnjo. V tujini je ta pojav znan kot "Retreating blade stall", torej prevlačenje nazadujočega kraka.

Disimetrija vzgona nastane kot posledica translatornega leta (dodatnega relativnega zračnega toka). Na spodnji skici je razvidno, kako se relativne hitrosti seštevanjo na napredujoči straniin odštevajo na nazadujoči strani. Iz tega dobimo neenakomerno porazdelitev vzgona po disku rotorja.

Za primerjavo porazdelitve vzgona imamo na levi strani razmere v lebdenju, na desni strani pa razmere v horizontalnem letu:

Če želimo kontrirati takim razmeram na disku rotorja, moramo dati nekaj leve ciklične komande, s katero spremenimo vpadne kote na krakih. Tu moramo biti pozorni na ločevanjevpadnega kota in nastavnega kota ali koraka.

Na spodnji skici je prikazana porazdelitev področij z enakim vpadnim kotom, ko kontriramo zmanjšanemu vzgonu na desni strani.

Ker je vpadni kot do neke mere direktno povezan z vzgonom, večji vpadni kot pomeni več vzgona in obratno. Na skici vidimo koliko več vzgona oz. manj na levi strani potrebujemo, daje disk rotorja v ravnotežju.

4. REŽIMI LETA

V režimih leta bomo pogledali, katere sile delujejo na helikopter v določenih režimih leta in zakaj. Režimi, ki jih imam v mislih so lebdenje, horizontalni let in avtorotacija. Torej, boljne-3D manevri. O 3D manevrih žal še nimam toliko znanja, da bi vedel kaj točno se dogaja z kraki.

4.1 LEBDENJE, TALNI EFEKT

V svetu takšnih in drugačnih helikopterjev poznamo dve vrsti lebdenja:

- Lebdenje izven talnega efekta, s tujko OGE - Out of Ground Effect - Lebdenje v efektu tal, s tujko IGE - In Ground Effect

Glede na helikopter sta oba načina lebdenja enaka, glede na zračni tok se pa zelo razlikujeta.

Lebdenje v talnem efektu:

Ker je zo zelo opevano področje med začetniškimi helikopterskimi modelarji, se posebej dotaknimo tega dela.

Vsakdo, ki je že poskušal lebdeti helikopter bo vedno slišal nasvete kto so: "bodi višje boš lažje lebdel" in "nižje helikopter ni stabilen".

Vse to je do neke mere res. Helikopter sam ni bilj nestabilen, nestabilna je zračna masa pod njim, ki se vsake toliko odtrga iz blazine. Pa poglejmo kaj se dogaja s helikopterjem ko je v efektu tal.

- S črno in v večjih fontih so označene spremenljivke med OGE in IGE lebdenjem. - S sivo in v manjših fontih so označene vrednosti, ki se med OGE in IGE lebdenjem ne spremenijo.

Iz tega povzamemo da je lebdenje IGE v primerjavi z OGE:

- nestanovito - porabimo manj moči za lebdenje, ker se zmanjša inducirani upor in nastavni kot kraka - sam vpadni kot se na kraku ne spremeni!

Ali ima letenje v talnem efektu prednsti, presodite sami. Za zečetnike bo zelo težko loviti zračno blazino pod helikopterjem, ostali pa bolj ko ne uživajo v 3D in ne dajo kaj prevečpozornosti na efekt tal, razen ko jih moti pri pristanku

Zakaj helikopter visi v lebdenju?

Odkar spremljam tuje heli-modelarske forume, skoraj vsak mesec najdem vprašanje "zakaj moj helikopter v lebdenju stoji postrani?", ponavadi se nadaljuje z "poskusil sem vse,nastavitve so v redu, premika se nikamor ampak preprosto lebdi postrani, kaj je narobe?"

Zelo preprost odgovor za tako pogosto vprašanje, ki se verejtno poraja tudi slovenskim modelarjem.

Prvotna vloga repnega rotorja je znana, kontrira momentu trupa oz. rotorja.

To da helikopter visi, je drugotna posledica repnega rotorja. Temu visenju rečemo vpliv repnega rotorja in nastane kot ravnotežni pojav med repnim rotorjem in diskom rotorja. Če biželeli da helikopter ostane pokonci, bi se zaradi potiska repnega rotorja premikal v levo.

Pri levosučnih sistemih je situacija ravno obratna. Helikopter visi v levo in leva smučka je vedno prva na tleh.

Pozor! točka okrog katere si kontrirajo momenti je težišče helikopterja in ne glava rotorja.

4.2 HORIZONTALNI LET

Horizontalni let sem podrobno že opisal v spodnjih temah Translatorni vzgon in disimetrija vzgona. S tem je tema že dovolj pokrita in po mojem mnenju ne potrebuje dopolnjevanj.

3.2 TRANSLACIJSKI VZGON

3.3 DISIMETRIJA VZGONA

4.3 AVTOROTACIJA in H/V DIAGRAM

Avtorotacija je tisti bav-bav, ki se bolj ali manj naredi, ko zgubimo moč motorja. Če nam krakov ne poganja motor, helikopter izgubi vzgon in krepko poljubi tla. Lahko pa nam krake poganja zračni tok. Sicer izgubimo vzgon, ampak nam s propadanjem helikopterja nabojni zrak ustvari idealne pogoje za ohranjanje vrtljajev, katere pretvorimo v vzgon šele ko je zarespotrebno.

Na spodnji sliki bodimo pozorni na smer zračnega toka označenega z rdečo. Ko uvedemo avtorotacijo se smer zračnega toka spremeni, ker rotor več ne zagotavlja vzgona. Posledično pretok skozi rotor, kot čebi pihali v vetrnico, poganja rotor. S spuščanjem in dviganjem kolektiva lahko uravnavamo vrtljaje.

Čarovnija avtorotacije

Zmotno je prepričanje, da mora biti za avtorotacijo negativni nastavni kot. Pri določenih krakih je možno izvesti tudi avtorotacijo z majhnimi, ampak pozitivnimi nastavnimi koti. Nekaj takega je prikazano naspodnji skici.

Dokler je področje kraka, ki poganja vrtenje večje od področja kraka, ki ga zavira, toliko časa bomo vrtljaje vzdrževali ali pa povečevali. To nam bolj kot vse sile pove rezultanta upora in vzgona. Če jenagnjena naprej od navpičnice, poganja rotor, če je nagnjena nazaj ali v navpično lego, zavira gibanje oz. je nevtralna.

Klasična avtorotacija se začne v horizontalnem letu, vsaka se pa zaključi z avtorotacijo iz lebdenja. S 3D helikopterji je sicer mogoče vse, vedno pa bo bistveno samo to, kaki so obrati rotorja. Če so obratidovolj veliki, lahko pred pristankom naredimo še kako prevračanje in brez težav pristanemo z zadostnimi vrtljaji. Če pa ti padejo pod določeno vrednost, niti nabojni zrak več ne more dvigniti vrtljajev, če jihpa zmanjka pa vemo kako "nežen" bo pristanek. Poleg tega je helikopter pri nižjih obratih precej manj krmarljiv.

Avtorotacija ni rešilni manever le pri izgubi moči motorja, ampak tudi pri težavah z repnim rotorjem. Povprečen modelarski helikopter nima repnih površin s profilom, ki bi zagotavljala potrebno kontra silomomentu glavnega rotorja. Torej, če nam odpove repni rotor (če se repni rotor stakne z gredi ali če poči jermen) ni nobene sile, ki bi kontrirala vrtenju. V takem primeru obstaja rešitev. Če ugasnemo motor, ni več momenta ki bi nam vrtel helikopter. Ob odpovedi repnega rotorja je ena od rešitev avtorotacija. Sicer izgubimo krmarjenje repa, ampak imamo pa kolektiv in ciklik, kar zadošča zavaren pristanek, če je pod helikopterjem primeren teren.

Velikokrat sem slišal, da helikopter v avtorotaciji pada kot kamen. Dejansko preleti kar nekaj razdalje. Razmerje med izgubljeno in preleteno razdaljo je okrog 1:3, 1:4. V primerjavi z letalom je to res "kotkamen", še zdaleč pa to ni neko kruto propadanje.

Seveda ni problem zdramatizirati padanje helikopterja. Več negativnega kolektiva bo padanje pospešilo, po drugi strani pa tudi zagotovilo večjo varnost, saj bodo obrati glavnega rotorja dodobra preskrbljeni.

H/V diagram

H/V diagram (Height / Velocity) je bistven za varno avtorotacijo. Diagram prikazuje razmerje med potrebno višino in hitrostjo za ohranjanje obratov glavnega rotorja ter za izvedbo ključnih manevrovavtorotacije.

Tisti, ki se je učil izvajanja avtorotacij dobro ve, da iz vseh kombinacij višin in hitrosti ni vedno mogoče pristati nadzorovano. Kot smo že nekajkrat omenili je ključnega pomena zadostno število obratovglavnega rotorja, iz katerega v končni fazi avtorotacije izčrpamo vzgon. Diagrami so risani pribljižno in po občutku. Področja katera naj bi se izgibali so označena šrafirano. Območje višjih obratov glavnegarotorja je manjše, predvsem zaradi večjih vrtljajev glavnega rotorja. Kot priča marsikateri kot ta, in ta, je z večjimi obrati glavnega rotorja možno narediti vse.

Zakaj imam ta dva področja pa poglejmo na naslednji skici. V področju A je enostavno premalo višine, kar si bomo pogledali v nadaljevanju, ali pa je višine dovolj in premalo hitrosti. Npr.: na vrhu področjaA je točka, iz katere je možno v lebdenju uvesti avtorotacijo, pridobiti hitrost, pri tleh narediti flare in pristati iz lebdenja. Področje B je bolj zahrbtno, ko letimo nizke prelete z veliko hitrostjo. Takrat imamo na lopaticah kar konkreten vpadni kot, ter posledično velik induciran upor. Iz tega lahko sklepamo, da letimo na veliki večini razpoložljive moči motorja. Večja kot je v danem trenutku moč na krakih, manjša je možnost za varno avtorotacijo, saj obrati rotorja padejo veliko prehitro.

Ker je najnižji del področja A najbolj dovzeten primer pri učenju, si podrobneje poglejmo tega.

Primer gre za dejanski helikopter Hurricane 550EP, vzletne mase 2700g ter s 100g karbonskimi kraki. Slednji podatek je pomemben ker, težji in večjega razpona kot so kraki, dalj časa bo vztrajnost vrtenjaohranjala vrtljaje. Pravi kraki so zaradi tega zelo pomembni za učenje avtorotacij.

Na skici je spodnji del A področja v H/V diagramu za dotični helikopter. Ko rešujemo helikopter pretrdega udarca v mati zemljo je pomemben podatek, koliko bomo imeli obratov na glavnem rotorju predpristankom.

Postopek:

Izguba moči motorja

-> kolektiv na malo pod sredno vrednost -> čakamo višino 0,30 m nad tlemi -> s progresivnim pomikom dodamo kolektiv, da ublažimo padanje in nežno dodatkemo

Tako pristanemo z minimalno vrednostjo 1000 RPM na glavnem rotoru, kar še ravno zagotavlja potreben vzgon za ustavljanje helikopterja. Padec vrtljajev za 600 RPM traja dobro sekundo. Zdi se zelo zelomalo časa,

Pri tem nam lahko zmanjka odločnosti, preleno reagiramo na izgubo moči ali pa narobe ocenimo zmožnost helikopterja ter ugasnemo na preveliki višini. Rezultat bo v vseh primerih enak. Obrati rotorja bodopadli pod 1000 RPM, kar pomeni, da vzgon, ki ga investiramo v krake ne bo dovolj za ustavljanje helikopterja. Dotaknemo trše.

Z večanjem višine bo pristanek vedno trši. Bolj ko pustimo obrate da padejo, bolj bo trd pristanek.

Avtorotacija iz lebdenja se v cilju razlikuje od avtorotacije na primerni višini in hitrosti. Pri avtorotaciji iz lebdenja nam ni cilj ohranjanje vrtljajev rotorja, ampak izguba čim manj obratov. S tem kopotopimo kolektiv v lebdenju, spet povečamo vpadni kot; sicer v negativno smer, ampak energijo nam kljub temu pobere. Kolektiv le za hip spustimo, čakamo na ustrezno višino, potem pa damo vse kar nampreostane v ustavljanje.

Samo po sebi se pojavlja vprašanje, zakaj sploh v klasični avtorotaciji potrebujemo progresivno hitrost. Poglejmo na primeru: Lebdimo 20m od tal, kar je več kot dovolj za klasično avtorotacijo. Motor odpove, uvedemo avtorotacijo iz lebdenja. Z negativnim kolektivom ohranimo in še malenkost povečamo obrate na rotorju. To pa ima svoj davek, hitrost propadanja je tako velika, da tudi maksimalni pozitivni kolektiv ne ustavi več propadanja - sledi seveda poljubček zemlje, the hard way.

Torej, povzetek zgodbe. Progresivna hitrost v avtorotaciji nam omogoča shrambo energije, ki jo v fleru prenesemo na obrate rotorja. Progresivna hitrost doda svojo mero pretoka zraka skozi disk rotorja in zmanjša propadanje helikopterja do te mere, da ga s flerom enostavno ustavimo.

5. PRAKTIČNE LASTNOSTI HELIKOPTERJEV

V nadaljevanju si ogledamo še rokovanje helikopterja z zračno maso in tlemi v praksi. Kot že celotna razlaga, tudi ta ne bo namenjena 3D letenju, to pa tudi ne pomeni da se ga delno nedotika.

5.1 OBREMENITVE DISKA ROTORJA

Disk rotorja, je tako kot krilo letala, obremenjen z določeno površinsko obremenitvijo. Kako velika je ta obremenitev je odvisno od premera krakov, mase helikopterja in manevriranjahelikopterja. Prvo poglejmo kako prva dva faktorja vplivata na obremenitev.

Primerjamo enak helikopter z večjimi in manjšimi kraki, v enakih pogojih lebdenja. Pri krakih upoštevamo da je enaka masa na dolžinsko enoto, torej so daljši kraki malenkost težji.

Večji premer krakov: - večji disk rotorja - večji upor na posameznem kraku - manjši nastavni kot kraka zaradi več vzgona na enoto dolžine kraka - manjša inducirana hitrost skozi disk rotorja - posledično manjši inducirani upor - hitrejše vzpenjanje - manjša vztrajnost krakov - boljše lastnosti v avtorotaciji

Manjši premer krakov: - manjši disk rotorja - manjši upor na posameznem kraku - večji nastavni kot kraka zaradi manj vzgona na enoto dolžine kraka - večja inducirana hitrost skozi disk rotorja - posledično večji inducirani upor - počasneje vzpenjanje - manjša vztrajnost krakov - slabše lastnosti v avtorotaciji

Obremenitev diska rotorja popiše zelo preprosta enačba. Enaka je skupni masi helikopterja / površina, ki ga opišejo kraki rotorja (disk rotorja).

Spodnja skica prikazuje dejanske izračune za helikopter Hurricane pri masi 2700 g in s tremi različnimi dimenzijami krakov. Dejansko ni ne inducirana hitrost, ne obremenitev diska, enakomerno porazdeljena po disku, lahko pa dobljene rezultate razumemo kot povprečje vrednosti.

Zgornji primeri veljajo le za helikopter v lebdenju. Helikopter v horizontalnem letu ima malenkost manjšo obremenitev diska, saj pridobi inducirano hitrost skozi nabojni zrak. Sedaj papoglejmo kaj se zgodi z obremenitvijo, če helikopter zavija.

HELIKOPTER V ZAVOJU

Na helikopter v zavoju deluje nekaj več kot v horizontalnem letu. Centrifugalna sila.

Helikopter se v odvisnosti od hitrosti in radija zavoja, bori z večjimi komponentami sil kot v lebdenju. Ob enem mora še vedno vzgonska komponenta enačiti sili teže, drugače bihelikopter padal, poleg tega pa mora še kljubovati sili centrifuge s centripetalno silo. Rezultanti teh sil sta skupni vzgon diska rotorja in sila teže pomnožena s faktorjem obremenitve.Faktor obremenitve je t.i. G, ki je nekoliko bolj splošen izraz.

Faktor obremenitve je faktor, ki ustreza razmerju sil v zavoju. Večji kot je nagibni kot, eksponentno bo večji tudi faktor obremenitve oz. sila obremenitve.

Za primer: letalo ali helikopter v zavoju z nagibom 60° pridobi še enkrat toliko sile teže kot če bi letel naravnost.

Posledično se podvoji tudi vrednost obremenitve diska!

Če letalo ali helikopter iz kril ali rotorja ne more potegniti dovolj vzgona oz. ohranjati hitrosti, bo pri enakem nagibu potonil. Se bo pa tudi posledično zmanjševala hitrost in s temobremenitev.

5.2 TALNA RESONANCA

V tem poglavju bomo pogledali zakaj nastane talna resonanca, ter kako se ji lahko izognemo ali pa jo vsaj ublažimo. Talna resonanca je v splošnem fenomen rotorskih sistemov z več kotdvema krakoma. Kakorkoli že, modelarski sistemi so tako preprosti da, lahko tudi vsak modelar na lastnem helikopterju občuti kaj pomeni resonanca. V tem poglavju bomo pogledalizakaj nastane talna resonanca, ter kako se ji lahko izognemo ali pa jo vsaj ublažimo.

Talna resonanca, kot vzbujanje frekvence helikopterja je fenomen vezan na helikopter na tleh. Nekateri smo v začetkih izkusili tudi resonanco v zraku, kateri botruje alfa in omega učenja, križ pripet na podvozje.

Osnove

Vsako telo ima svojo naravno frekvenco nihanja in vsak del na helikopterju prispeva k skupni frekvenci. Če je naravna frekvenca označena z omega 0 in vsiljena frekvenca z omega,potem bo razmerje med nima zelo zelo blizu 1, ko frekvenci izzoveta resonanco. To vidimo ko nam uspe to lastno skupno frekvenco helikopterja izenačiti z vsiljeno frekvenco. Od kodpride ta vsiljena frekvenca si pogledamo spodaj.

Resonanca na tleh je posledica aerodinamike posameznega kraka v sistemu rotorja in neenakega trenja v vpetjih obeh krakov, ki omogočata prehitevanje/zaostajanje. Helikopter je zanastanek nihanja najbolj dovzeten pri zagonu. Kraki, ki se vrtijo v sistemu rotorja so običajno med seboj enakomerno razporejeni. Takrat je težišče rotorja v sami osi vrtenja rotorja.

Če zaradi katerega koli razloga, kateri od krakov zaostaja ali prehiteva drugače kot ostali, pride do porušenja ravnotežja med kraki in to novo težišče povzroča vibracije v rotorju.

Večkraki sistemi so do resonance veliko bolj dovzetni, če nimajo pravega in predvsem pa med seboj enakomernega dušenja prehitevanja/zapstajanja. Dvokraki sistemi pridejo v resonančno področje predvsem zaradi naše napake oz. tehnične nedovršenosti. Takoj ko ima en krak v vpetju manj trenja kot drugi, takoj se bo med njima pri zagonu helikopterja pojaviloneenako zaostajanje. Zakaj se to zgodi pri zagonu? Pri zagonu helikopterja na krake ne deluje zadostna centrifugalna sila, ki bi kraka držala navzven in bi bilo težišče precej bolj v osivrtenja, zato imata kraka precej veliko nihanje in s tem različno težišče.

Posledično prizor izgleda približno tako, kot ta na spodnji skici. Helikopter se pri pospeševanju rotorja precej zatrese, amplituda gredi na vrhu pa je lahko tudi kak centimeter. Mojeosebne izkušnje so mi dokazale, da lahko kraki pridejo zelo zelo blizu tlem zaradi drastičnega nihanja.

V tem nihanju masno središče praviloma opravi dve vrsti gibanja. Prvo je vzbujeno, nestabilno gibanje ali divergenca masnega središča. Ko se zadeva prične umirjati (nekaj 50 RPMvišje), predide masno središče v stabilno fazo nihanja, konvergenco masnega središča.

Kako preprečiti resonanco na tleh?

Če se ta pojav na helikopterju pojavlja pogosto, se prvo vprašajmo v kakih pozicijah so naši kraki med pospeševanjem.

1. Negativni nastavni kot kraka pri zagonu in pospeševanju rotorja zelo vpliva na nihanje. Amplituda nihanja bo večja, tem manjši bo naš negativni korak. Kot je že povedano, nihanjemasnega središča je posledica spremembe pozicije masnega središča. Ob zagonu z negativnim korakom bosta oba kraka zaostajala, koliko bo razlika med seboj pa je odvisno od našenatančnosti pri zategovanju vijakov skozi krake. Skušajmo v obeh krakih nastaviti približno enako trenje.

2. Največji vpliv na različno zaostanje in nihanje krakov okrog vpetja ima pozicija ciklične palice. Če med zagonom rotorja nimamo ciklične palice v sredini, bo to povzročilo večjevibracije kot jih radi gledamo. Pozicija ciklične palice v nevtrali je zlato pravilo na 1:1 helikopterjih, na modelih pa nebi smelo biti drugače.

Kako izgleda namerno izzvani primer talne resonance si lahko pogledate na Youtube:

posnetek od zadaj

posnetek iz strani

Resonanca v zraku

Za razliko od resonance na tleh je resonanca v zraku izzvana zaradi nihanja križa, celotno resonančno nihanje pa je prenešeno na celotno strukturo helikopterja, tudi vrteče se dele.

To potrjuje tudi stanje v katerem se resonanca zelo rada pojavi. V lebdenju so nihanja krakov v smeri prehitevanja in zaostajanja zelo majhna, saj je ciklična komanda večinoma v okolicinevtrale.

Vzbujeno nihanje se na helikopter prenaša zaradi nihanja palic. Ko palice pričnejo vertikalno nihati se to nihanje prenese na strukturo in zaradi toge zasnove na rotor. Nihanje je lahkotako grobo, da zvije gred glavnega rotorja.

Danes vem, da so idealne okoliščine za resonanco 400-450 klase elektro helikopterja; 1 m karbonski votli palici za križ in območje vrtljajev nekje okrog 2000-2200 RPM. Na večjem 550razredu pri enaki dolžini križa ni prišlo do nihanj.

Kako prihraniti to izkušnjo za drugič? S krajšimi palicami v križu (pod 70 cm), do teh težav pri običajnih vrtljajih rotorja za učenje, nebi smelo priti.

Iz vsakega nihanja se lahko nekaj naučimo. Z opazovanjem frekvence nihanj lahko kmalu ugotovimo izvor. Če je nihanje tako hitro, da lahko vidimo le "megleno" sled repnega "stabilizatorja", smo lahko prepričani da izvira iz repnega rotorja. Če je nihanje s frekvenco, kjer še lahko vidimorepni fin, potem je verjetno na frekvenci glavnega rotorja.

Repni kraki z utežjo

Modelarski repni rotor je veliko večji delovni konj kot to sprva deluje. Repni žiroskop ukazuje krakom, da delajo popravke z neverjetno hitrostjo, za relativno ogromne vrednostinastavnega kota in to vsakič ko spremenimo smer leta in vsakič ko spremenimo kolektivno komando.

Čeprav mali, repni kraki zaradi zgoraj napisanih dejstev, ustvarjajo relativno velike sile na krmilni mehanizem in servomotorje. Namesto, da vzamemo močnejši in težji servomotor,lahko te sile zmanjšamo mehansko. Rešitev je dokaj preprosta in učinkovita, izhaja pa iz sveta pravih helikopterjev.

Repni rotor A109E ima dve uteži na vsaki strani kraka v radialni ravnini. Predhodni kraki so zaradi prevelikih sil na repni mehanizem povzročali konkretne težave z zanesljivostjo,polsedično pa se je krajšal interval pregledov. Menjava krakov je te težave rešila.

Podobna priprava je na voljo tudi za modelarske helikopterje.

Kako pa taki kraki delujejo si pogledamo na spodnji skici:

Uteži delujejo s pomočjo centrifugalne sile Fc. Ko se krak vrti in je v ničnem nastavnem kotu (v nevtrali) je zaradi geometrije centrifugalna sila manjša kot takrat, ko je krak v nastavnemkotu večjem ali manjšem od nič. Ko se kraku spreminja nastavni kot iz nevtrale se veča radij uteži (iz r1 na r2). Tako povečana centrifugalna sila želi krak zavrteti v še večji nastavni kot.Te sile oz. bolje rečeno moment okrog vzdolžne osi kraka, zmanjšujejo sile oz. moment, ki nastane zaradi povečanega nastavnega kota.

Zelo enostavna mehanska pripravica, ki zmanjša sile na ležaje in krmilni mehanizem repnega rotorja in servo motorja.