Helikopter
Från Rilpedia
En helikopter är en luftfarkost som lyfts och drivs framåt av en eller flera stora horisontala motordrivna rotorer (propellrar). Helikoptrar klassificeras som ving-roterande luftfarkoster för att avskilja dem från konventionella luftfarkoster med fast vingkonstruktion. Ordet helikopter kan härledas från de grekiska orden helix (spiral) och pteron (vinge).
I jämförelse med konventionella flygplan med fast vingkonstruktion är helikoptrar mycket mera komplexa, mera kostsamma att köpa och använda, relativt långsamma, har dålig räckvidd och en begränsning på nyttolasten. De kompenserande fördelarna är manövrerbarhet: helikoptrar kan hovra på platsen, backa, och framför allt starta och landa vertikalt. De är enbart begränsade av tillgången på bränslepåfyllningsstationer och vikt/altitudbegränsningar. En helikopter kan flyga till vilken plats som helst och landa var som helst där det finns en öppning som är en och en halv rotordiameter stor.
Innehåll |
Användningsområden
Det finns många användningsområden för helikoptrar, både militära och civila, däribland trupptransport, infanteristöd, brandbekämpning, bruk i samverkan med fartyg, affärsresor, evakuering av offer (däribland MEDEVAC och luft-/havs-/bergsräddning), polisiär och civil övervakning, varutransporter (somliga helikoptrar kan bära stora/besvärliga objekt hängande under sig) eller som en plattform för stillbilds-, film- eller televisionskameror.
Historia
Redan omkring 400 f.Kr. lekte kinesiska barn med en flygande snurra. Som av en händelse gavs bröderna Wright denna leksak när de var små och de fascinerades mycket av den. Denna leksak hade även tidigare kommit till Europa med handeln och har avbildats i en målning från 1463. "Pao Phu Tau" (Bao Pu Zi, 抱樸子) var en kinesisk bok från 300-talet f.Kr. som beskriver några av idéerna bakom rotorflygning.
Den första praktiska idén för en helikopter som kunde bära en människa framtogs av Leonardo da Vinci på 1400-talet. Det var dock inte förrän efter man uppfunnit det motoriserade flygplanet på 1900-talet som verkliga modeller producerades. Konstruktörer såsom Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis Breguet, Paul Cornu, Juan de la Cierva, Emile Berliner och Igor Sikorsky var pionjärer med denna typ av luftfarkoster. En flygning med den första fullt kontrollerbara helikoptern, Focke-Wulf Fw 61, demonstrerades inomhus av Hanna Reitsch under Berlin Motor Show 1938.
Den första helikoptern i Sverige, en Bell 47B, kom 1946 och importerades samt flögs av Ostermans.
Faror med helikopterflygning
Som med vilket annat motorfordon som helst kan handlingar utanför säkerhetsramarna resultera i förlorad kontrollförmåga, strukturella skador eller fatala skador. För helikoptrar är farorna synnerligen akuta eftersom de flyger på relativt låg höjd, vilket innebär att man har mindre tid att reagera på plötsliga händelser. Följande lista är några av de potentiella farorna:
- Stall av återvändande blad
- Genomsjunk
- Markresonans
- Hantering inom det skuggade området av höjd-hastighetsdiagrammet
Vart och ett av dessa tillstånd är potentiellt farligt och kan var omöjligt att motverka. God flygning kräver handling inom säkra flygramar och att man alltid undviker farofyllda moment.
Generering av lyftkraft
Ett konventionellt flygplan kan flyga eftersom en framåtgående rörelse av dess böjda vingar tvingar luftströmmen nedåt, vilket skapar en motsatt reaktion som kallas lyftkraft. Lyftkraften tvingar vingarna uppåt. En helikopter använder exakt samma metod, med det undantaget att när man förflyttar hela flygmaskinen, så är det enbart vingarna som rör på sig. Helikopterns rotor kan enkelt sägas vara roterande vingar.
Lyftkraft genereras genom att rotorn roterar. Samtidigt genereras en motverkande kraft på flygmaskinen som roterar helikoptern i motsatt riktning. Det vanligaste sättet att motverka vridmomentet vid låga hastigheter är att ha en mindre vertikal propeller, en så kallad stjärtrotor, monterad bak på flygmaskinen. Denna rotor skapar en kraft som arbetar i riktning mot vridmomentet som skapas av huvudrotorn. När kraften från stjärtrotorn är tillräckligt för att upphäva vridmomentet från huvudrotorn så kommer helikoptern inte att rotera runt sin huvudrotoraxel. Alternativ till en vanlig stjärtrotor är bland andra Fenestron och NOTAR. Ett alternativ som ryska Kamov använder är koaxiala rotorer, dvs två motroterande rotorer som delar på samma rotationscentrum, fördelen med denna konstruktion är att den blir mer kompakt och betydligt effektivare än lösningar med stjärtrotor. Effektivitetsvinsten beror på att all motorkraft går till att generera lyft, och inget till att kontrollera helikopterns rotationsmoment i sidled.
Fenestronen, som ursprungligen utvecklades av franska Aérospatiale (idag en del av EADS och Eurocopter), består av en rotor/fläkt inbyggd i stjärtfenan. Konstruktionen minskar risken för att stjärtrotorn kommer i kontakt med föremål eller människor och är därmed betydligt säkrare. Det många bladen och deras oregelbundna placering innebär också stora fördelar i buller- och vibrationsavseende, på grund av fördelaktigare resonansförhållanden. Lösningen kunde även ses på det idag nedlagda projektet RAH-Comanche (Sikorsky). Fenestron
NOTAR (NO TAil Rotor) är en lösning utvecklad av Hughes (idag en del av MD Helicopters). Konstruktionen saknar, som akronymet antyder, helt stjärtrotor. En del av den nedåtströmmande luften från huvudrotorn leds med hjälp av en fläkt inuti helikopterns bakre del genom stjärtbommen. Denna luft trycks sedan ut dels åt sidan genom en dysa längst bak, dels genom två avlånga öppningar i ena sidan på bommen. Dysans öppning kan gradvis slutas för att reglera luftströmmen. Den luft som passerar genom de avlånga öppningarna följer stjärtbommens form och leder med hjälp av Coandăeffekten nedströmmande luft från huvudrotorn runt stjärtbommen. På så vis skapas "lyftkraft" i sidled, man kan säga att stjärtbommen fungerar som en vinge i luftströmmen från huvudrotorn. NOTAR
Ett annat alternativ som minskar stjärtbommens samt stjärtrotorns vikt men som tillför andra problem är systemet att använda två stora horisontala rotorer som roterar i motsatt riktning. Några exempel på helikoptrar som använder denna teknik är Boeing CH-47 Chinook och Kamov Ka-50. Alla dessa system har konstruerats av samma anledning, man vill producera en nettorotationshastighet som är noll.
Den mängd kraft som behövs för att förhindra att en helikopter roterar runt sin huvudrotoraxel är signifikant. En stjärtrotor kan använda upp till 30% av maskinstyrkan och denna kraft hjälper inte helikoptern alls att producera lyftkraft eller framåtgående rörelse. För att minska detta slöseri under marsch är stjärtfenan vinklad för att producera lyftkraft åt sidan, vilket hjälper att motverka huvudrotorns vridmoment. Vid höga hastigheter är det vanligt att stjärtfenan motverkar hela vridmomentet, vilket frigör mera motorkraft för framdrivning av flygmaskinen. Detta kallas vanligtvis för slipstreaming och kan inträffa vid hovring under blåsiga dagar vilket gör hovring svårt.
Flygkontroll
Användbar flygning kräver att flygfarkosten kan kontrolleras i alla tre dimensioner (se flygningens dynamik). I ett flygplan är detta enkelt: små rörliga ytor justeras för att ändra flygplanets form så att den förbipasserande luften pressar det i önskad riktning. En helikopter kommer dock sällan upp till så höga farter att denna metod skulle vara praktisk.
För rörelser i den horisontella riktningen vänster-höger (gir) används ett anti-vridmomentssystem. Genom att variera lutningsvinkeln på stjärtrotorn ändras kraften som rörs i sidled. Dubbelrotorhelikoptrar har en differentialväxel mellan de två rotortransmissionerna som kan justeras med en elektrisk eller hydraulisk motor för att producera differentialvridning och därmed svänga helikoptern. Girkontrollerna styrs vanligtvis med anti-vridmomentspedaler på golvet. Dessa finns på samma ställe där konventionella flygplan har sina roderpedaler.
Vid tippning (framåt och bakåt) eller roll (tippning i sidled) kan anfallsvinkeln på huvudrotorbladen förändras eller cyklas genom rotationen så att det skapas olika lyftkraft på olika punkter på den roterande vingen. Mera lyftkraft bak på rotorvingen leder till att flygmaskinen tippar framåt, en höjning på vänster sida leder till roll och så vidare.
Helikoptrar manövrerar med tre flygkontroller förutom pedalerna. Stigspaken kontrollerar de vridbara rotorbladen, eller anfallsvinkeln på rotorbladen. Detta utförs konstant under det 360-gradiga rotationsplanet på huvudrotorsystemet. När anfallsvinkeln ökas producerar rotorbladen mera lyftkraft. Stigspaken är vanligen en spak på pilotens vänstra sida, nära pilotens ben. Genom att öka anfallsvinkeln och genom att öka effektuttaget får man helikoptern att lyfta.
Gasreglaget (en: throttle) kontrollerar effektuttaget från motorn och är kopplat till rotorn via en transmission. Gasreglaget är ett vridhandtag på stigspaken. Varvtalskontrollen är ett mycket viktigt kontrollorgan för helikopterns hantering av flera orsaker. Helikopterrotorer är konstruerade för att arbeta vid ett visst varvtal. Om varvtalet är för lågt kan ett snabbt motorbortfall ske, detta är mera känt som settling with power. Ifall varvtalet är för högt kan det orsaka skador på huvudrotorhöljet till följd av de extra krafterna. I allmänhet måste varvtalet hållas inom ett begränsat område, vanligtvis ett fåtal procent. I många kolvmotordrivna helikoptrar, måste piloten hålla koll på motorn och rotorvarvtalet. Piloten manipulerar gasreglaget för att bibehålla rotorns varvtal och reglerar därmed luftmotståndets effekt på rotorsystemet. Helikoptrar med turbinmotorer samt vissa kolvmotordrivna helikoptrar använder en servo-feedbackloop i maskinkontrollerna för att bibehålla rotorns varvtal vilket underlättar för piloten som då kan koncentrera sig på sitt rutinansvar för flygningen.
De cykliska förändringarna i vinklingen av bladen som leder till att lyftkraften är olika på olika ställen på rotordisken är förklaringen till hur piloten får flygmaskinen att tippa och helikoptern att röra på sig. Cyklingen kontrolleras vanligtvis av en styrspak framför piloten.
När helikoptern rör sig framåt rör sig rotorbladen på ena sidan i rotorfart plus helikopterns fart och detta kallas framåtgående blad. När bladet vridit sig till andra sidan på helikoptern rör sig rotorspetsen med rotorfart, minus helikopterns fart och kallas följaktligen återvändande blad. För att kompensera den ökade lyftkraften på det framåtgående bladet och den minskade lyftkraften hos det återvändande bladet - eftersom lyftkraften är en funktion av bärytans (en: airfoil) anfallsvinkel och dess relativa flyghastighet - regleras bladens anfallsvinkelgeometri med rotorbladens kontrollsystem och mekanismer som tillåter bladen att flappa upp och ner. Detta faktum (med framåtgående och bakåtgående blad) begränsar fartmöjligheterna hos en helikopter.
Ifall anfallsvinkeln på någon vinge, inklusive rotorbladen, är för hög separeras luftflödet ovanför vingen, vilket leder till en omedelbar förlust av lyftkraft och ökning av luftmotståndet. Detta tillstånd kallas aerodynamisk stall. På en helikopter så kan detta ske på tre sätt:
- När helikopterns fart ökar närmar sig de framåtgående rotorbladen ljudets hastighet och genererar chockvågor som stör luftflödet över bladen och som i sin tur leder till förlorad lyftkraft.
- När helikopterns fart ökar råkar de bakåtgående bladen ut för lägre relativa lufthastigheter och kontrollerna kompenserar med en ökad attackvinkel. Med en tillräckligt låg flyghastighet och en hög attackvinkel är aerodynamisk stall en oundviklighet. Detta kallas överstegring.
- Ett lågt motorvarvtal i samband med en ökad anfallsvinkel kommer att orsaka aerodynamisk stall.
Helikoptrar är kraftfulla flygmaskiner, men de kan ändå flyga utan motorkraft genom att använda rotorernas moment och den nedåtgående rörelsen för att tvinga luft genom rotorerna. Rotorerna börjar då fungera som en "väderkvarn" och börjar rotera. Denna teknik är känd som autorotation och ger besättningen några få dyrbara sekunder att kvickt hitta ett ställe att sätta ner helikoptern på ifall motorn ger upp.
Helikoptrar konstrueras alltid så att ifall motorn förlorar kraft så kraftsätts stjärtrotorn eller vridmomentsdifferentialen av autorotationen. Helikoptrar bibehåller alla flygkontroller när de saknar motorkraft.
En mycket karaktäristisk egenskap hos rotationen är att rotationsaxelns lutning för ett roterande föremål vrider sig i förhållande till omgivningen under rotationen. Detta beror på att när man försöker tippa ett spinnande objekt (som en rotor), så börjar den röra sig i rak vinkel i förhållande till kraften. Detta kallas "gyroskopisk precession". Därmed roteras rotorns kontrollkrafter 90 grader före den önskade rörelsen. Exempelvis kräver en framåtgående rörelse mindre lyftkraft i fören och mera lyftkraft på rotordiskens bakre sida, därför för piloten rotationen framåt. Helikopterns kontrollänk roterar lutningskrafterna 90 grader bakåt mot rotorns riktning så att trycket hamnar mot rotorns sidor i stället för mot dess front och bak.
Det tog uppfinnare många år att identifiera precessionen och för att lära sig hur man skulle arrangera rotationens kontrollsystem för att övervinna denna.
Begränsningar med rotorflygning
Den största enskilda begränsningen för helikoptern är dess låga hastighet. Hastighetsrekordet sattes den 11 augusti 1986 när en engelsk Westland Lynx, med piloten John Trevor Egginton bakom spakarna, kom upp i en hastighet av 400,87 km/h. Det finns flera orsaker till varför en helikopter inte kan flyga så snabbt som ett flygplan.
- När helikoptern är i vila har rotorbladspetsarna en hastighet som bestäms av rotorbladets längd och varvtalet. I en helikopter som rör sig beror bladens hastighet på helikopterns hastighet så väl som deras rotationsfart. Hastigheten på den framåtgående rotorn är mycket högre än helikoptern själv. Det är möjligt för rotorbladet att överskrida ljudets hastighet och därmed orsaka ökat luftmotstånd och vibrationer. Det är teoretiskt möjligt att ha spiralformade rotorer också, vilkas funktionsprincip påminner om de vingar som utnyttjar variabel vinggeometri. Med dessa skulle man kunna överskrida ljudets hastighet, men inga idag kända material är tillräckligt lätta, starka och flexibla för att man skulle kunna konstruera dessa.
- De flesta rotorer är inte styva. Eftersom det framåtgående bladet har en högre hastighet än det bakåtgående, så skulle ett fullständigt fast blad generera mera lyftkraft på den sidan och välta flygfarkosten. På grund av detta är rotorbladen designade för att "flaxa" - att lyfta och vrida sig på sådana sätt att det framåtgående bladet lyfter och genererar mindre lyftkraft. På motsatta sidan av rotordisken så sänks bladet, skapar en högre anfallsvinkel och genererar mera lyftkraft. Vid höga hastigheter kan rotorn flaxa för vilt och orsaka stall. Det finns även helikoptrar där hubben är fast. Bladen görs från kompositmaterial som kan böjas utan att brytas. Helikoptrar med helt stela rotorer finns och dessa är mycket manöverdugliga helikoptrar. I de flesta sådana utföranden varieras lyftkraften cykliskt och i förhållande till helikopterns hastighet. Justeringen sker antingen genom att man justerar bladens anfallsvinkel eller genom maskinstyrda vakuumanordningar som suger luft in i bladen och justerar deras lyftkraft.
- Rotorhuvuddesign är en begränsande faktor på många helikoptrar. Låga eller negativa G-situationer som påträffas i halvfasta rotorsystem kan resultera i flaxning nedåt så att bladet träffar antingen stjärtbommen eller någon annan flygkroppsstruktur vilket följs av motorseparation och ett katastrofalt haveri.
- Helikoptrar är mottagliga för potentiellt ödesdigra vortexring-effekter.
Under slutet av 1900-talet började konstruktörer inrikta sig på arbetet med att reducera helikopterns buller. Bullriga flygfarkoster ogillas ofta i stadsmiljöer och polis och passagerarhelikoptrar kan vara impopulära. Man började nydesigna helikoptrar efter att ett antal heliporter i städer hade stängts och att den amerikanska staten gick in för att begränsa flygrutter i amerikanska nationalparker och andra platser av naturintresse.
Helikoptrar vibrerar. En icke-justerad helikopter kan lätt vibrera så mycket att den skakar sönder. För att reducera vibrationer måste alla helikoptrar rotorjusteras för höjd och frekvens. De flesta har även vibrationsdämpare för höjd och frekvens. Några använder även mekaniska feedback-system för att känna av och motarbeta vibration. Vanligtvis använder feedback-systemet en vikt som en "stabil referenspunkt" och en länk från vikten styr en justeringsklaff för att justera rotorns anfallsvinkel för att motverka vibrationen. Justering är svårt eftersom mätning av vibrationer är svårt. Det vanligaste justeringsmätningssystemet är att använda en stroboskopisk ficklampa och observera målade märkningar eller färglagda reflektorer på undersidan av rotorbladen. Det traditionella lågteknologiska sättet är att fästa en färgad krita på rotorspetsarna och se hur de märker ett linnelakan.
Helikoptermodeller och identifikation
Vid identifiering av konventionella helikoptrar under flygning kan det vara till fördel att se dem underifrån under flygning. En fransk-, rysk-, sovjetisk- eller ukrainskkonstruerad helikopterrotor roterar moturs, medan en italiensk-, brittisk- eller amerikanskbyggd rotor roterar medurs.
Några företag, däribland Schweizer i USA, utvecklar fjärrstyrda varianter av lätta helikoptrar för användning på framtida slagfält.
Det finns även hybrider som kombinerar egenskaper från både helikoptrar och flygplan, däribland den experimentella Fairey Rotodyne från 1950-talet och Osprey som har beställts av den amerikanska marinkåren. Osprey är det första massproducerade tiltrotorflygplanet som nått aktiv tjänst.
Helikoptern ska inte förväxlas med autogiron, som är helikopterns föregångare från 1920-1940-talen. Autogiron får dragkraft och fart från en "normal" flygplanspropeller i nosen. Lyftkraften fås från en horisontell rotor som inte är ansluten till någon motor.
Se även
Referenser
- Artikeln Helicopter (maj 2005) på engelskspråkiga Wikipedia
- Thicknesse P, Jones A et al, Military Rotorcraft, 2:a upplagan, 2000, Brassey's World Military Technology series, Shirvenham UK, xvi + 160pp, ISBN 1-85753-325-9
- Wragg D, Helicopters at War: A pictorial history, 1983, Robert Hale Ltd, London UK, 283pp, ISBN 0-7090-0858-9
Externa länkar
- Wikimedia Commons har media som rör Helikopter
- Nordic Rotors
- Helikopterpiloten.se
