Πως λειτουργούν τα ελικόπτερα !

Πως λειτουργούν τα Ελικόπτερα

Συντάχθηκε απο Κ.Κωσταλάμπρο.

Τα ελικόπτερα είναι οι πιο περίπλοκες πτητικές μηχανές που έχουν υπάρξει ως τώρα. Αυτή η ίδια η περιπλοκότητά τους είναι που δίνει στον χειριστή την δυνατότητα να έχει τον έλεγχο και των τριών διαστάσεων στον χώρο, έτσι όπως κανένα αεροπλάνο δεν μπορεί να τον επιτύχει. Το ελικόπτερο μπορεί να πετάξει οπουδήποτε, όμως όλα τα παραπάνω σημαίνουν ότι για να πετάξει χρειάζεται ο χειριστής να σκέφτεται σε τρεις διαστάσεις και να χρησιμοποιεί διαρκώς όλα του τα άκρα για να κρατάει το ελικόπτερο σε ισορροπία. Για να γίνει κάποιος χειριστής ελικοπτέρου χρειάζεται πολλή εκπαίδευση, ταλέντο αλλά και διαρκή συγκέντρωση στην πτήση.

Σήμερα θα δούμε τα πτητικά συστήματα του ελικοπτέρου.

Το βασικό πτητικό εξάρτημα του ελικοπτέρου είναι το στροφείο ή ρότορας. Το στροφείο αποτελείται από 2-5 συνήθως μακρόστενες λεπίδες (blades), οι οποίες έχουν σχήμα πτέρυγας και είναι σχεδιασμένες έτσι ώστε να ελαχιστοποιούν τους στροβιλισμούς (vortex) στην άκρη τους όπου η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη. Οι λεπίδες μπορούν να συγκριθούν με τις πτέρυγες ενός ανεμόπτερου. Κατασκευάζονται από συνθετικό αλουμίνιο με πρόσμιξη τιτανίου και σιδήρου. Το στροφείο παράγει άντωση και ώση και είναι υπεύθυνο για τους πιο πολλούς χειρισμούς του ελικοπτέρου. Αυτό επιτυγχάνεται με την βοήθεια του swashplate το οποίο είναι ένας δίσκος στο κάτω μέρος του στροφείου και μεταβάλει θετικά το βήμα, δηλαδή την γωνία προσβολής του στροφείου συνολικά αλλά και κάθε λεπίδα ξεχωριστά.

Έτσι λοιπόν ανυψώνει το ελικόπτερο αλλά ελέγχει και την πρόνευση (pitch) και την περιστροφή περί εγκάρσιου άξονα (roll) του σκάφους. Το swashplate παίρνει υδραυλικά συνήθως εντολές από το cyclic και από το collective για ανύψωση . Πιο εξελιγμένα ελικόπτερα επιτυγχάνουν την κίνηση τους με την μετατόπιση πρακτικά του κέντρου βάρους δίνοντας κλίση (όχι πρόνευση) σε όλο το στροφείο (δίσκος). Έτσι λοιπόν όταν ο πιλότος θέλει να απογειωθεί σηκώνει το collective δίνοντας στις πτέρυγες την απαραίτητη γωνία προσβολής για να παράγουν άνωση (lift). Αφού ανυψωθεί, αποκτά ταχύτητα σπρώχνοντας το cyclic μπροστά. Αμέσως, η λεπίδα που εκείνη την στιγμή κατά την περιστροφή περνάει από το πίσω μέρος του ελικόπτερου, αποκτά πιο μεγάλη γωνία προσβολής δίνοντας κλίση στο σκάφος. Ετσι λοιπόν δημιουργείται μια τέτοια συνισταμένη δύναμη από την άνωση που ωθεί το σκάφος προς τα μπρος. Όπως σε όλα τα περιστρεφόμενα αντικείμενα στην φύση έτσι και στο στροφείο ισχύει η αρχή διατήρησης στροφορμής. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι όταν το στροφείο περιστρέφεται, το σκάφος αποκτά την τάση να περιστραφεί και αυτό προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Αυτό αποτέλεσε πρόβλημα στα πρώτα ελικόπτερα, όμως το πρόβλημα λύθηκε τοποθετώντας ένα μικρότερο στροφείο στην ουρά (tail rotor) το οποίο εξισορροπεί την στροφορμή αλλά δίνει και τον έλεγχο του εγκάρσιου άξονα (yaw ) στον χειριστή μέσω των ποδοστηρίων. Όλα τα παραπάνω συστήματα που περιγράψαμε παίρνουν κίνηση από τον κινητήρα του ελικοπτέρου που μπορεί να είναι εμβολοφόρος (piston engine) ή στροβιλοκινητήρας (helicopter turboshaft). Όμως, δεν συνδέονται κατευθείαν πάνω στον κινητήρα αφού κάτι τέτοιο δεν θα ήταν καθόλου ασφαλές, γι αυτό υπάρχει το κιβώτιο ταχυτήτων (gearbox) το οποίο εμπλέκεται με τα κινούμενα μέρη μέσω ενός φυγοκεντρικού συμπλέκτη (clutch). Αυτό γίνεται είτε από τον χειριστή είτε αυτόματα.

Σε περίπτωση βλάβης, ο χειριστής απεμπλέκει το σύστημα έτσι ώστε η σταματημένη μηχανή να μην σταματήσει την κίνηση του στροφείου και να μπορέσει να προσγειωθεί με ασφάλεια κάνοντας αυτοπεριστροφή (autorotation), κάτι που θα αναλύσουμε σε επόμενο τεύχος. Σε αυτό το σημείο να πούμε ότι ο κινητήρας ελέγχεται και αυτός από το collective με την βοήθεια του ρυθμιστή στροφών κινητήρα (governor). Όταν το βήμα στο στροφείο αυξηθεί οι στροφές ανάλογα θα έχουν την τάση να πέσουν, κάτι που πρακτικά σημαίνει μικρότερη ταχύτητα στις λεπίδες και πιθανότητα απώλειας στήριξης (stall). Για να το αποφύγουμε αυτό σε κάθε ρύθμιση του collective ρυθμίζεται ανάλογα και ο κινητήρας ώστε να μπορεί να υποστηρίξει το στροφείο. Πολλές φορές, όταν η αλλαγή στο collective είναι πολύ απότομη, ο κινητήρας δεν προλαβαίνει να ανταποκριθεί και έχουμε το λεγόμενο LOW RPM το οποίο είναι πολύ επικίνδυνο και γι αυτό και υπάρχει οπτική και ηχητική σήμανση στο πιλοτήριο. Αυτά είναι τα βασικά συστήματα πτήσης ενός ελικοπτέρου πίσω από τα οποία κρύβονται πολλά υποσυστήματα και δικλίδες ασφαλείας που θα δούμε σε επόμενα τεύχη. Αξίζει να τονίσουμε ότι υπάρχουν πολλά χρόνια έρευνας και δοκιμών για να γίνει το ελικόπτερο όπως είναι σήμερα.

Ιστορικά, να αναφέρουμε ότι η πρώτη πτήση ελικόπτερου έγινε το 1907 από τον Γάλλο Πωλ Κορνού ο οποίος κατάφερε να ανυψώσει ένα twin rotor ελικόπτερο για μερικά δευτερόλεπτα. Αργότερα, ένας άλλος Γάλλος, ο Ετιέν Οεχμιχέν, το 1924 πέταξε για πάνω από ένα χιλιόμετρο σε μια πτήση που κράτησε 7 λεπτά και 40 δευτερόλεπτα και έμεινε στην ιστορία. Το πρώτο πρακτικό ελικόπτερο κατασκευάστηκε από τους Γερμανούς το 1936 και ήταν το Focke-Wulf Fw 61 . Η κατακόρυφη πτήση ήταν πλέον πραγματικότητα. 

Κ.Κωσταλάμπρος

Δημοσιεύθηκε στο Τεύχος virtual flight Νο 3 (Ιούνιος-Ιούλιος 2008)