Rotor- og helikopterlære : grunnleggende helikopterteori 8258511734 [PDF]

Zitiervorschau

Roger Raletz - Brynjar Karlsen

ROTOR- OG HELIKOPTERLÆRE Grunnleggende helikopterteori

Nasjonalbiblioteket Depotbiblioteket

Yrkesopplæring ans 1997

Originalversjon: Basic Theory of the Helicopter, Roger Raletz © 1990, CEPADUES, Toulouse, Frankrike

Norsk versjon: © Yrkesopplæring ans, Oslo 1997

1. utgave, 1. opplag Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter april 1997 til bruk i videregående skole på studieretning for elektrofag VK1 flytekniske fag i faget rotor- og helikopterlære. Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av februar 1995, og gjelder så lenge lære­ planen er gyldig.

Oversatt fra engelsk til norsk ved Brynjar Karlsen Bearbeidet til norske forhold ved Brynjar Karlsen Nynorskdelen er oversatt av Gode manus as Grafisk utforming: Scalare Data Omslag: P&O deSign, Oslo Illustrasjoner: Aerospatiale, Boeing, Sikorsky, Bell, Westland, Helge Hansen Printed in Norway by Falch Fargetrykk, Oslo, 1997 ISBN 82-585-1173-4

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopie­ ring inngått med KOPINOR. Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndraging, og kan straffes med bøter eller fengsel. I denne boka er ca 40 % skrevet på nynorsk i henhold til brev av 28.01.87 fra Kirke- og undervisningsdepartementet. «- lærebøker for små elevgrupper (under 300 i året) lages som fellesspråklige utgaver med ca 40 % av innholdet på den ene målformen. Ordningen gjøres som en prøve­ ordning for tre år. Deretter vurderes ordningen.»

Innhold 1

2

3

4

HISTORIKK/UTVIKLING/ROTORTYPAR/ HOVUDKOMPONENTAR 1.1 UTVIKLING........................................................................7 1.2 ROTORTYPAR/HOVUDKOMPONENTANE.............. 12 - Inndeling av luftfartøy................................................ 12 - Rotorluftfartøy............................................................... 12 - Nokre rekordar............................................................ 12 - Rotorkonfigurasjonar................................................... 12 - Rotortypar......................................................................13 - Hovuddelane på helikopteret...................................13 - Generell cockpit med kontrollorgan......................... 14 - Hovudkomponentar i kraftoverføringa.....................14 - Nokre eksempel på motorplasseringar.....................14 1.3 SPØRSMÅL...................................................................... 15 GENERELT FLY OG HELIKOPTER - Bereflater......................................................................16 - Autogyro......................................................................17 - Kompoundhelikopter................................................ 17 2.1 SPØRSMÅL......................................................................18

GRUNNLEGGJANDE OMGREP I MEKANIKK OG AERODYNAMIKK - Vektorar........................................................................ 19 3.1 OMGREP I MEKANIKK.................................................19 - Masse, kraft og fart..................................................... 19 - Kraftsystem og resultat.............................................. 21 - Krefter som gir vridningsmoment.............................. 22 - Momentet av ei kraft...................................................23 - Tyngdepunktet til ein lekam..................................... 24 - Rørsle og fart.............................................................. 25 - Sirkelrørsle................................................................... 26 - Sentrifugalkraft............................................................ 26 - Arbeid og effekt..........................................................27 - Kinetisk energi............................................................ 27 3.2 OMGREP I AERODYNAMIKK ..................................... 27 - Luft i rørsle................................................................... 27 - Luftmotstand.................................................................29 - Korleis kan vi få ei lyfteflate?.....................................30 - La oss snakke om profil.............................................. 32 - Trykksentrum.............................................................. 33 - Luftstraumen rundt eit profil.....................................34 - Ein analyse av den aerodynamiske resultanten... 35 - Polarkurva til profilet.................................................. 37 3.3 SPØRSMÅL..................................................................... 39 BLAD OG ROTOR - Generelt....................................................................... 40 - Blad - definisjonar..................................................... 40 - Lyftet og motstanden til bladet.................................. 41 - Trykksentret til bladet................................................ 42 - Krefter som verkar på eit blad som roterer............44 - Rotoren........................................................................45 - Det totale rotorlyftet.................................................. 46 - Lateral (sidevegs) lyftdissymmetri............................. 48 - Flappehengselet..........................................................52 - Effekten av flappinga på stigingsvinkelen på blada. . 54 - Draggehengsel og K-kopling.....................................55 4.1 SPØRSMÅL.................................................................... 59

5 KONTROLL AV LØFTET FRA ROTOREN - Generelt........................................................................60 - Kollektiv forandring av stigningsvinkelen.............. 61 - Syklisk forandring av stigningsvinkelen.................. 62 - Virkning av en syklisk forandring av stigningsvinkelen....................................................... 65 - Sykliske forandringer for bevegelse sideveis og fram og tilbake............................................................ 65

5.1

SPØRSMÅL..................................................................... 69

6

HOVEDROTORENS REAKSJONSMOMENT OG HALEROTOREN - Reaksjonsmomentet fra hovedrotoren.................... 70 - Virkningen av halerotorens skyvekraft.................... 71 - Variasjon i skyvekraften fra halerotoren.................. 72 6.1 SPØRSMÅL..................................................................... 74

7

ROTORENS AERODYNAMIKK - Luftstrøm gjennom rotoren....................................... 75 - Virvelforhold («VORTEX CONDITION»).................. 76 - Bakkeeffekten.............................................................. 77 - Autorotasjon................................................................ 78 - Begrensning av rotorens turtall................................83 7.1 SPØRSMÅL..................................................................... 84

8

HELIKOPTERFLYGING OG TILFØRSEL AV NØDVENDIG MOTOREFFEKT - Krefter som virker på helikopteret under flygingen. . 85 - Hovring........................................................................86 - Stigning og gjennomsynkning.................................. 87 - Flyging framover..........................................................87 — Likevekt i svinger....................................................... 88 — Nødvendig tilførsel av motoreffekt og grunnleggende behov for motoreffekt................ 88 - Indusert effekt............................................................ 89 - Profileffekt................................................................... 90 - Skrogeffekt................................................................... 91 - Helikopterets flyhøyder.............................................. 92 8.1 SPØRSMÅL . . . . ............................................................. 93

9

HELIKOPTERKONSTRUKSJONER - Hvordan kontrollerer vi et helikopter med overlappende tandemrotorer? ................................94 - Kontrollprinsipp for et fullt artikulert rotorsystem . 96 - Noen rotorkonstruksjoner......................................... 97 - Eksempel på innfestning av rotorblad til rotorhodet og opplagring for å forandre stigningsvinkelen CLYNX)......................................... 99 - Elastomeriske lagre..................................................... 99 - Fleksible koplingselementer..................................... 100 - Dempere..................................................................... 100 - Styreplatas oppbygning............................................ 100 - Typisk oppbygning av et moderne hovedrotorblad . 101 - Eksempel på halerotorkonstruksjon.......................102 - Halerotorblader.......................................................... 102 - Halerotorplasseringer................................................ 103 - Typisk oppbygning av flygekontroller med overføringer...............................................................103 - Kraftoverføring.......................................................... 104 - Halerotordrift............................................................ 104 - Frihjulsenhetens virkemåte....................................... 105 - Eksempel på nødflytesystem.................................. 105 - Heisanordninger....................................................... 106 - Underhengende last/lastekrok................................ 107 9.1 SPØRSMÅL..................................................................... 108

10

HELIKOPTERVIBRASJONER - Frekvensområder........................................................109 - Vibrasjonsmåter.......................................................... 109 - Måling av vibrasjoner.................................................110 - Tiltak mot vibrasjoner.............................................. 110 10.1 SPØRSMÅL......................................................................110

SYMBOLER OG FORKORTELSER.................................................111

FORORD Til tross for hva som kan bli sagt om helikopteret, er og blir det en rar maskin. For «mannen i gata» og enkelte ganger også for fagfolk gir det en slags magisk og undrende assosiasjon. På de følgende sidene ønsker vi å oppklare mysteriet rundt helikop­ teret. Men det må også være klart at på noen få sider er det umulig å forklare alt. Vi har derfor laget et hefte som er bygd på praktiske betraktninger. La oss håpe at det er det rette!

Så ber vi deg spenne fast sikkerhetsbeltet og ønsker deg en god tur. Dersom du tar deg god tid og «flyr» sakte, vil du opp­ dage at det ikke er så vanskelig likevel.

5

1 Historikk/utvikling/rotortypar/ hovudkomponentar 1.1 UTVIKLING Historia til helikopteret er like lang som ho er fascinerancle. Ho går 5000 år tilbake i tida. Det er dokumentert at det i Kina blei gjort flygeforsøk med roterande venger ca. 3000 år f. Kr. Det dukka opp eit leiketøy som blir kalla «Chinese top». Mens det kan herske stor tvil om kva meininga med oppfinninga var, var oppfinnarane, anten dei visste det eller ikkje, i ferd med å ta dei første stega mot den bemanna flyginga. Og kan­ skje viktigare, anten dei visste det eller ikkje, gjorde dei ei grunnleggjande ny oppdaging, prinsippet for lyft. Leiketøyet kunne flyge, og det arbeider etter dei prinsippa som blei grunnlaget for den vitskapen som førte til ikkje berre flygemaskiner med roterande venger, men til flyging som fenomen.

-Chinese top» er eit enkelt aerodynamisk lydleiketøy. Det består av ei stikke der det er festa ein enkel propell. Når stikka blir spunnen mellom hendene, vil ho flyge ut av hendene, stige ein kort distanse og deretter falle til bakken i ein slags autorotasjon. Samtidig lagar ho ein markant lyd.

Tida skulle gå heilt fram til det femtande hundreåret e.Kr. før nokon utvikla prinsippet bak den roterande vengen vidare. Rundt 1480 laga italienaren Leonardo da Vinci teikningar og bygde ein luftskrue. Han meinte at denne luftskruen, som hadde ein diameter på 96 fot, ville gå vertikalt opp gjennom lufta. Eksperimenta hans var dømde til å bli mislykka, fordi han trong motorkraft. På denne tida fanst det ikkje utvikla noka form for motorkraft som var tilstrekkeleg til å drive luft­ skruen. Likevel var bidraga hans så viktige at han i dag blir sedd på som «far til helikopteret». Helikopteret har fått namnet sitt frå teikningane hans. Dei to greske orda «heliko» og «pleron» tyder skrue og veng («helical wing»).

I 1784 demonstrerte Launoy og Bienvenu eit «modellhelikopter» for Académie des Sciences i Frankrike. Leike­ tøyet hadde koaksiale rotorar som blei drivne av fjørbelastninga frå ein kvalbeinboge.

Engelskmannen sir George Caley laga ein roterande veng i 1843- Vengen blei spunnen opp i turtal ved at dei drog i ein tråd. Den første modellen flaug til ei høgd på 25 fot, og seinare forbetra modellar som blei laga av andre, skal ha nådd høgder på ca. 90 fot.

7

I 1859 presenterte Henry Bright ei løysing med koaksi­ ale rotorar.

I 1845 konstruerte franskmannen Cossus eit dampdrive helikopter med ein hovudrotor og to små propellar for kontroll og framdrift.

Ponton d'Amecourt bygde eit dampdrive helikopter med ein praktisk utsjånad i 1862. Dette helikopteret produserte lyft, men klarte ikkje å ta av. Han hadde meir hell med dei urverksdrivne modellane sine, som var bygde etter det same prinsippet. Dei flaug faktisk svært bra.

I 1874 presenterte tyskaren Achenbach ei dampdriven maskin. Denne maskina hadde ein luftskrue som produ­ serte lyft, og ein luftskrue som gav framdrift, og for første gong i historia høyrer vi om at det blir konstruert ein luft­ skrue som styrer reaksjonsmomentet frå den luftskruen som gir lyft.

I 1871 lanserte Pomés og De La Pauce eit helikopter som var geværdrive. Dette heli­ kopteret hadde blad/venger med ein stigingsvinkel som lét seg justereGpitch angle»).

Det blir no gjort mange forsøk på å flyge med roter­ ande venger. Det blir prøvd både med muskelkraft. dampmaskiner og trykkluft. Fleire løysingar lét seg kontrollere, og ein kan få maskinene til å flyge, men alle forsøka blir hemma av at dei manglar ei passande motorkraft.

1904 Franskmannen Renard laga eit helikopter der rotorane var monterte side ved side. Motorkraft fekk han frå ein forbrenningsmotor som var montert i skroget. Renard fann opp flappehengselet i samband med denne konstruksjonen. Cierva var ikkje klar over denne oppfinninga da han fann opp att flappehengselet ei tid seinare.

STAPIG NYE OPPFINNINGAR Engelskmannen Dennys seksrotorshelikopter 1906-14.

1907 Denne maskina var bygd av Breguet-Richet og hadde fire rotorar. Maskina flaug, men var så ustabil at ho måtte støttast av menn som heldt i hjørna. 1907 Franskmannen Paul Cornu gjennomførte den første frie flyginga i verda i dette helikopteret. Flyturen vara i nokre sekund, og høgda blei ca. seks fot.

I 1910 var russaren Igor Sikorsky ute med to mislykka konstruksjonar. Frå historia veit vi at han skulle ha hellet med seg seinare.

1912 Dansken Ellehammer rangerer som eit geni blant luftfartsoppfinnarane i verda. Han laga dette helikopteret, som er eitt av dei første med ein syklisk kontroll av stigingsvinkelen på blada (luftskruen).

1916 Von Karman og Petrosczy frå Tyskland ville erstatte observasjonsballongane. Denne maskina flaug oppover og blei halden til bakken av ankringstau. Opphavleg hadde ho ein elektrisk motor, som blei erstatta av tre motorar på 120 hestekrefter kvar.

I 1921 bygde russaren Du Bothezat denne maskina for U.S. Army. Maskina gjorde over hundre flygingar. Med ein motor på 180 hestekrefter (seinare 220) og med ei vekt på 3600 pund var dette verdshistorie.

1924 Pescara sette rekord i lengdeflyging med denne maskina. Heile 736 meter blei tilbakelagde. Maskina var oppsiktsvekkjande, ettersom ho gjorde det mogleg å kontrollere både den sykliske og den kollektive stigingsvinkelen på rot orane. Maskina kunne også autorotere. Pescara er ein av dei første som forstod å gjere seg nytte av autorotasjonseffekten.

I 1924 bygde briten Brennan dette eksperimenthelikopteret. Det var eitt av dei første med ein rotor som ikkje gav noko reaksjonsmoment. Det var fordi rotoren blei driven av små propellar ute på bladtippane. Trykkluft blei nytta for å gi kraft til kontrollsystemet. Han fekk til ein syklisk kontroll av stigingsvinkelen ved hjelp av små kontrollflater i bakkanten av rotorblada. Maskina gjorde mange små flygingar før ho krasja i 1925.

Stadig fleire konstruktørar blei dregne med i bygginga av luftfartøy med ein roterande veng. Ingen av desse konstruksjonane passerte eksperimentstadiet i utviklingsprosessen. Likevel blei det nedteikna grunnleggjande erfaringar og lærdommar som skulle vise seg å bli fundamentet for den seinare vellykka utviklinga av helikopteret. Men likevel var det framleis fleire store problemområde der det matte utviklast nye konstruksjonsløysingar.

Vi kan dele dei inn i tre hovudkategoriar:

1

Vridingsmomentet frå motoren prøvde å rotere skroget i mot­ sett retning av rotoren.

2

Den roterande massen i rotoren var påverka av ein gyroskopisk presesjon. (Det vil seie at ei helling på rotoren først ville gi utslag 90° etter den staden der krafta blei tilført.)

3

Lyftekrafta som blei produsert av framovergåande blad, var mykje større enn lyftekrafta som blei produsert av bakovergåande blad nar fartøyet blei floge horisontalt. Dette forte til ein ukontrollerleg dissymmetri i lyftet, og heli­ koptra hadde ein tendens til å tippe over.

9

Ein av dei som heilt frå 1920-talet hadde drive med eksperi­ ment, var Juan de la Cierva. Han konstruerte det første spanskbygde flyet med faste venger. Etter eit krasj pa grunn av stegling (tap av lyft på vengene) med ein av konstruksjonane sine bestemte han seg for resten av livet å byggje sikrare, meir saktegåande luftfartøy som ikkje var avhengige av å vere i fart framover for å lande sikkert. For å nå dette målet konstruerte han eit luftfartøy som hadde fritt roterlege venger som var festa til ein vertikal akse. Dermed kunne den roterande vengen rotere fritt påverka av luftstraumen omkring.

Den oppfinninga som Cierva gjorde, bygde på at eit konven­ sjonelt fly skulle produsere trekkrafta framover, mens den fritt roterande vengen blei driven av den møtande luftstraumen og produserte det nødvendig lyftet. Denne vindmølleeffekten er kjend som autorotasjon. Slik fekk AUTOGYROEN namnet sitt.

1919

T CIERVA C.l. Eit enkelt sideror, ein kontraroterande koaksial rotor

CIERVA C.2. Blad med ein stor korde. Ei form for syklisk stigingsvinkel

J

Den første modellen som Cierva bygde, hadde to kontraroterande rotorar. Han hadde håpa at den gyroskopiske effekten skulle bli kansellert, og at dissymmetrien i lyftet skulle bli ut­ likna. Men dei ulike strøymingsforholda rundt dei to rotorane førte til eit svært ineffektivt arrangement.

CIERVA C.3. Eit differensiert høgderor

CIERVA C.4. Flappehengsel. Den første vellykka autogyroen Etter dette bestemte Cierva seg for å byggje eit einrotorsystem trass i dei kjende problema. Dei to første forsøka med einrotorsystemet blei mislykka. Likevel gav han ikkje opp. Den neste konstruksjonen var ein helt ny design som løyste problema med autogyroen, og som la grunnlaget for seinare vellykka helikopterkonstruksjonar.

CIERVA C.19 MARK IV. Rotoren startar ved hjelp av motoren gjennom ein clutch

Blada på det nye rotorsystemet hans var opphengde slik at dei kunne stige og falle fritt under flyginga. Med dette flappehengselet kunne blada kompensere for alle variasjonar i fart og lyft. I tillegg til flappehengselet introduserte Cierva draggehengselet, som gjer at bladet fritt kan flytte seg horisontalt framover og bakover under flyginga. I tillegg kunne stigingsvinkelen på blada kontrollerast. Til saman gjorde dette autogyroen i stand til å lande utan motorkraft. CIERVA C.19 MARK V. Vengene er for første gong fjerna. Her kan vi for første gong sjå at rotoren kan kontrollerast direkte

1 1936, da Cierva døydde *, var autogyroen akseptert og blei bygd i England, Frankrike, Italia, USA og fleire andre land. Likevel var det ingen som hadde hell med helikopterkonstruksjonane sine, og dei såg ut til å vere langt unna løysinga.

* Cierva omkom i 1936 som passasjer i eit passasjerfly som krasja.

10

ROTA II var dei torste produksjonsmodellane

1930

1936 Focke-Wulf FW-61 Mange prøvde seg med nye helikopterkonstruksjonar, men i 1936 tok tyskarane leiinga med ein overtydande demonstrasjon av Focke-Wulf FW-61. Hanna Reitsch, som var den første kvinnelege helikopterpiloten, demonstrerte FW-61 inne i Deutschland Halle i Berlin framfor eit stort publikum. På eit område på ca. 100 • 250 fot hovra ho, flaug framover og bakover og gjorde 360° vendingar. Dette helikopteret braut alle dei eksisterande rekordane og fjerna all tvil om at helikopteret hadde framtida for seg.

1 1939 hadde engelskmennene alt utvikla vel­ lykka helikopterkonstruksjonar. Denne Weir W.6 var utvikla av den vellykka Weir W.5. Det spesielle med W.6 er at det er det første tosetes helikopteret i verda. Krigen stoppa utviklinga av denne konstruksjonen.

I 1939 flaug Igor Sikorsky sin VS 300. Sikorsky hugsar vi frå dei tidlegare mislykka kon­ struksjonane hans i Russland før den første verdskrigen. I perioden fram til 1939 hadde han konstruert dei godt kjende flybåtane sine. I tillegg hadde han emigrert til Amerika. VS 300 var spesiell, fordi det var det første helikopteret med konfigurasjonen hovudrotor og halerotor som flaug vellykka. Produksjonsversjonen, som blei kalla R.4, mar­ kerte starten på helikopterproduksjonen i USA. I 1944 kjøpte britane R.4 til Royal Navy.

1941 Flettner 282 (Kolibri) flaug svært bra. Helikopteret hadde som tidlegare Flettner-konstruksjonar rotorar som var monterte side ved side, og som roterte i inngrep med kvar­ andre. Interessant var konstruksjonen av ei automatisk turtalsregulering på rotoren og ei automatisk justering av stigingsvinkelen på blada til autorotasjonsposisjon i tilfelle motorstopp. Helikopteret var i operativ drift frå 1942, og Anton Flettner hausta mange lovord for konstruksjonen sin.

Samtidig med dei sistnemnde konstruksjonane dukka andre namn som Bell, Hiller og Piasecki opp. Det kom ein heilt ny generasjon luftfartøy med roterande venger, og det fanst dg ein marknad for slike luftfartøy. Desse luftfartøya var den første generasjonen heli­ kopter. Dei fleste blei bygde med ein hovudrotor og ein halerotor etter modell av det vellykka eksperimentet til Sikorsky. Sjølv om desse konstruksjonane ikkje var kraftige og pålitelege nok, blei dei framleis etterspurde. I dei kommande åra blei konstruksjonane stadig forbetra, slik at helikopteret etter kvart begynte å bli respektert. Ein veikskap som vara ved, var at det ikkje fanst noka motorkraft som var konstruert for helikopter. Ettersom volumet på helikopter­ produksjonen var såpass lite, var det uøkonomisk å konstruere ein motortype spesielt for helikopter. Dei motorane som blei valde, var motorar som blei modifiserte frå eksisterande flymotorar.

På denne tida blei dei militære spesielt interesserte i helikopteret. Dette førte til at det blei utvikla eigne turbinmotorar for helikopter.

Denne nyvinninga sette ny fart i utviklinga av helikopteret. Ein andre generasjon helikopter som var kraftigare og meir pålitelege, voks fram. Denne generasjonen helikopter opna vegen til den latente transportmarknaden. I dag blir tredje generasjon helikopter brukt verda over. Den sivile flåten med helikopter er tre gonger større enn den amerikanske hangarskipsflåten.

Denne tredje generasjonen helikopter er bygd på erfaringar som blei gjorde under utviklinga av dei tidlegare helikoptergenerasjonane. I dag blir helikopteret brukt overalt i industrien og andre stader der det er lettare, billigare og raskare enn andre metodar. Også i forsvarsindustrien blir helikopteret utvikla til ei våpenplatt­ form som er meir effektiv enn nokon gong før.

Kvar utviklinga vil gå, kan berre framtida vise. Kanskje er vi i dag med den avanserte materialteknologien som er tilgjengeleg, i ferd med å utvikle ein fjerde generasjon helikopter.

11

1.2 ROTORTYPAR/HOVUDKOMPONENTANE INNDELING AV LUFTFARTØY (genetisk utvikling)

I Tyngre enn luft

Lettare enn luft

ROTOR LUFTFARTØY DEFINISJONAR: ROTORLUFTFARTØY: Luftfartøy som under flyginga eller ein del av flyginga far alt lyftet eller delar av lyftet sitt fra ein rotor eller rotorar som roterer i eit tilnærma horison­ talt plan.

GYROPLAN (ogsa kalla autogyro): Luftfartøy som under flyginga får alt lyftet eller ein stor del av lyftet sitt frå ein fritt roterande rotor. HELIKOPTER: Luftfartøy som under flyginga får alt lyftet eller ein stor del av lyftet sitt frå ein eller fleire motordrivne rotorar.

Fri ballong

KOMPOUNDHELIKOPTER: Luftfartøy der ein roterande veng eller roterande venger gir ein viktig del av lyftet, men som i tillegg er utstyrt med aerodynamiske kompo­ nentar som venger og/eller propellar som særleg når farten er høg, supplerer verknaden frå dei roterande vengene.

KONVERTIBELT FLY: Luftfartøy som under flyginga er i stand til a konvertere, slik at delar av lyftet eller heile lyftet blir overført frå rotoren eller rotorane til faste venger og omvendt.

* (Vertical take-off and landing).

NOKRE REKORDAR

Fartsrekord:

Westland Lynx sette den 11. august 1986 fartsrekord med 400,87 km/t.

Høgderekord:

Aérospotiale Lama sette den 21. juni 1972 høgderekord med 12 422 m.

Lyfteevne:

Det sovjetiske Mil Mi-26 lyfta 3- Februar 1982 56 768,8 kg til ei hogd på 2000 m.

Jordomflyging:

Den raskaste jordomflyginga med eit helikopter blei gjennomført i september 1982 i eit Bell 206 L frå og til Dallas på 29 dogn. 3 timar. 8 minutt og 13 sekund.

ROTORKONFIGURASJONAR

Einrotorhelikopter med halerotor

Einrotorhelikopter med vridingsmomentfri rotor

12

Rotorar side ved side utan inngrep

Rotorar side ved side i inngrep

Koaksiale kontraroterande rotorar

Overlappande tandemrotorar

ROTORTYPAR

Fullt artikulert * rotor («fully articulated») * Artikulert = bunden saman med ledd

A

Blada kan ikkje flappe/dragge individuelt. Eit gimbaloppheng gjer at når det eine bladet flappar opp. vil det andre flappe ned. Blada kan forandre stigingsvinkelen individuelt.

B

Blada har fleksible element som gjer det mogleg å flappe og dragge. Dei kan forandre stigingsvinkelen individuelt.

Blada er frie til individuelt å flappe, dragge og forandre stigingsvinkel.

Blir brukt pa middels tunge til tunge helikopter.

Tilsvarande opphengssystem blir ofte nytta til halerotorkonstruksjonen. men utan at dei tillet noka draggerørsle. Da kallar vi systemet ein delvis artikulert rotor Dsemi-articulated»).

Stiv rotor («rigid»)

Halvstiv rotor («semi-rigid»)

Rotoren er bygd så stiv som mogleg. Blada er opplagra for ei individuell forandring av .stigings­ vinkelen.

Blir nytta på lette helikop­ ter. Elles lite brukt.

Blir brukt på lette til middels tunge helikopter.

HOVUDDELANE PÅ HELIKOPTERET

Halerotorgirboks («tail rotor gearbox»)

Hovudrotorhovud («main rotor head»)

Mellomliggjande girboks («intermediate gearbox»)

Hovudrotorblad («main rotor blade»)

Stabili­ sator

Transmisjonsdeksel

Motordeksel

Halerotoraksling («tail rotor shaft») (delt i seksjonar) Hovudgirboks («main gearbox»)

Halerotor med halerotorhovud («tail rotor/tail rotor head»)

Halefinne («pylon»)

Halebom («tall cone») Halehjul (andre helikopter kan ha nasehjul)

Motorar

Bakre del av skroget

Kabin eller øvre del av skroget

Hovudunderstell

Cockpit

Botnstruktur eller nedre del av skroget

13

GENERELL COCKPIT MED KONTROLLORGAN INSTRUMENT:

Nokre instrument er spesielle for helikopteret.

KOLLEKTIVKONTROLLEN: Forandrar stigingsvinkelen på blada. Ved ei rørsle opp vil helikopteret stige, og ved ei rørsle ned vil helikopteret falle. (Rørsle langs vertikalaksen.)

SYKLISK STIKKE:

Forandrar stigingsvinkelen på blada individuelt. Ei rørsle framover eller bakover fører til at heli­ kopteret flyttar seg framover eller bakover.

Blir den sykliske stikka flytta sidevegs, flyttar helikopteret seg sidevegs. (Rørsle langs og rundt lengde- og tverraksen.)

PEDALAR:

Kontrollerer stigingsvinkelen på halerotorblada. Blir den høgre pedalen trykt inn, svingar heli­ kopteret til høgre, og blir den venstre pedalen trykt inn, svingar det til venstre. (Rørsle rundt vertikalaksen.)

GASSHANDTAK:

Kontrollerer motorturtalet for å halde oppe eit konstant rotorturtal ved ulike belastningar. På dei fleste helikoptra skjer dette i dag automatisk.

HOVUDKOMPONENTAR I KRAFTOVERFØRINGA Generelt har vi på eit helikopter ein eller fleire motorar som overfører motorkrafta si til ein hovudgirboks. Hovudgirboksen girar ned motorturtalet til eit passande hovudrotorturtal og halerotorturtal og overfører motorkrafta til hovudrotoren og halerotoren.

NOKRE EKSEMPEL PÅ MOTORPLASSERINGAR

14

1.3 SPØRSMÅL Kven fann opp flappehengselet? I kva for eit år skjedde det?

1

a) b)

2

Kven gjennomførte den første flygeturen i verda med ein helikopterkonstruksjon?

3

Først på nittenhundretalet har fleire personar klart å lage kontrollerlege helikopterkonstruksjonar. Kva la band på utviklinga av helikopteret på dette tidspunktet?

4

Kor langt tilbake i tida går historia til helikopteret?

5

a) b) c)

6

Kvifor blei Pescara berømt med konstruksjonen sin i 1924?

7

Først på nittenhundretalet blei fleire og fleire konstruktørar dregne med i konstruksjonen av luft­ fartøy med roterande venger. Nemn tre problemområde som desse konstruktørane jobba med å finne løysingar på.

8

Fortel om Juan de la Cierva og innsatsen hans i utviklinga av helikopteret.

9

a) b)

10

Fortel om Igor Sikorsky og innsatsen hans i utviklinga av helikopteret i perioden 1910 til 1939.

11

Kva for nokre konstruksjonsdeltaljar blei presenterte i Flettner 282 (Kolibri)?

12

Definer a) fly med roterande venger b) gyroplan c) helikopter d) kompoundhelikopter e) konvertibelt fly

13

Teikn to helikopter med rotorkonfigurasjonar som er i bruk i dag.

14

Forklar kva som kjenneteiknar a) ein fullt artikulert rotor b) ein halvstiv rotor c) ein stiv rotor d) ein delvis artikulert rotor

15

Kva er hovuddelane i eit helikopter?

16

Kva a) b) c)

17

Kvar blir desse rotortypane brukte: a) Stiv rotor b) Halvstiv rotor c) Fullt artikulert rotor d) Delvis artikulert rotor

18

Kva er hovuddelane i kraftoverføringa i helikopteret?

19

Teikn nokre eksempel på typiske motorplasseringar i eit helikopter.

Kven blir sett på som «far til helikopteret»? Kva for ei oppfinning er det som gir denne personen dette tilnamnet? Frå kva for nokre ord har helikopteret fått namnet sitt?

Kven var Hanna Reitsch? Kva for ein oppsiktsvekkjande demonstrasjon gjorde ho i 1936?

blir desse kontrollorgana nytta til: Kollektivkontrollen Syklisk stikke Pedalane

15

2 Generelt - fly og helikopter E3EREFLATER FLylyftet blir til over bereflater som blir kalla venger

Profilet ovanfor går gjennom lufta med FARTEN V. Det blir ei vertikal kraft Fn som er retta oppover. Denne aerodynamiske krafta verkar motsett av tyngda pa flyet og gjer det mogleg å flyge med fly som er tyngre enn luft.

For å få produsert aero­ dynamiske krefter er farten eit viktig element.

Fn

På vanlege fly nyttar vi ein propell til å dra eller ein jetmotor til å skyve flyet gjennom lufta med ein FART V.

• For å fly må flyet gå fram­ over med farten V.

Pa helikopteret skaper vi farten ved å la motoren drive rotoren rundt med farten U. Krafta L\ blir kalla ROTORLYFTET og verkar vinkelrett på rotasjonsplanet til rotoren.

• For å halde seg i lufta treng helikopteret ingen slik fart framover, fordi «vengen» roterer med farten U.

G Vekta på helikopteret Den roterande vengen gjer det mogleg for helikopteret å flyge vertikalt (a stige eller falle) eller å sta stille (hovre). Fn

F\ Fn

=G >G (0R

Bladet stig

... bladelementet ligg fast i bladet og rotorhovudet, som har ein konstant vinkelfart. Derfor kan vinkelfarten til bladelementet ikkje variere, og tregleikskrafta F, (som prøver å auke vinkelfarten), som ikkje kan opptre som ei rørleg kraft, gir ei statisk belastning som genererer eit maksimalt bøyemoment ved rotenden av bladet (M = d • F,).

Effekten av ein variasjon i farten U når bladet blir senka

Det same resonnementet viser at når eit blad blir senka, aukar radien i banen til bladelementet (han endrar seg frå r til R), og vinkelfarten prøver å gå ned. Derfor får vi ei tregleikskraft Fj og eit bøymoment som prøver å bøye bladet i motsett retning av rotasjonsretninga.

Ei tregleikskraft F; verkar på alle bladelementa. Desse kreftene gir eit resulterande bøymoment som prøver å bøye bladet i rotasjonsretninga.

55

Dei vekslande treøleikskreftene som kjem av den vertikale flappinga til blada, og som verkar på blada i rotasjons­ planet, blir kalla CORIOLIS-KREFTER

Korleis kan vi kansellere effekten av CORIOLIS-KREFTENE?

Eit blad som gjer ei heil omdreiing, blir utsett for

• eit bøymoment som er retta framover frå C til A når bladet er stigande (framovergåande blad) • eit bøymoment som er retta bakover frå A til C når bladet er fallande (bakovergåande blad)

Draggehengsel Effekten av kreftene blir kalla CORIOLIS’ EFFEKT

Dette resulterer i vekslande bøykrefter som genererer ei ut­ matting, spesielt ved bladrota, der stresskreftene er størst. Dette er eit kombinert dragge- og flappehengsel

6 = draggevinkel

Draggehengselet tillet bladet, som er påverka av CORIOLISkrefter. å oscillere horisontalt ut frå ein midlare posisjon. Denne fridommen kansellerer bøymomentet ved rotenden av bladet.

Rørsla til bladet på grunn av draggeoscillasjonar

Tregleikskreftene F, varierer i retning og storleik. • Fra C til A er bladet stigande. Tregleikskrafta F,, som verkar i rotasjonsretninga, får bladet til å oscillere (flytte seg) framover. • Fra A til C er bladet fallande. Tregleikskrafta F,, som verkar i motsett retning av rotasjonsretninga, får bladet til å oscillere (flytte seg) bakover.

• Ved A og C er bladet i den midlare posisjonen sin (F, = O og 6 = O).

56

I rotasjonsplanet blir bladet utsett for ei sentrifugalkraft (Fc) med ein konstant styrke og tregleikskrefter (F,) som varierer i retning og styrke. Resultanten R av desse kreftene genererer eit moment d ■ R som gjer at bladet oscillerer framover. Oscillasjonen stoppar når R skjer gjennom draggehengselet. Momentet av R er da lik null.

Kvar draggehengselet er plassert jamført med rotasjonssenteret O (forskyvd 1), bestemmer verdien av draggevinkelen 6.

På ein liknande måte stoppar oscillasjonen på eit fallande blad når momentet av R er lik null Cd = o).

Dersom vi vil gjere draggeoscillasjonane mindre, finst det ein måte å angripe vondet ved rota på. Det er den vertikale flappinga til bladet som avgjer kor store tregleikskreftene i draggeplanet skal bli. For å redusere tregleiks­ kreftene i draggeplanet er det nok å redusere flappevinkelen |3.

Det får vi til ved å bruke K-KOPLING A *. * Somme kallar denne K-KOPLINGA •DELTA 3-KOPLING

K-koplinga

Faktisk blir draggevinkelen 6 større dess mindre avstanden 1 er frå rotasjonssenteret. Det er fordi momentarmen (d) av resultanten R varierer i motsett retning av 1. Dette er ein måte å gjere dei veks­ lande draggeoscillasjonane mindre på. Oscillasjonar genererer kraf­ tige horisontale vibrasjonar ved å forstyrre likevekta i rotoren. Når bladet stig (flappar opp), vil bakkanten av bladet lage ein boge med radius R, mens framkanten av bladet lagar ein mindre boge med radius r. Profilet hallar framover, stigingsvinkelen går ned.

Stigande blad Vi kallar det ei K-KOPLING når flappeaksen ikkje er vinkelrett på lengdeaksen til bladet, men har ein vinkel «i» på normalen til lengdeaksen. Når bladet stig (flappar opp), går stigingsvinkelen (og dermed dg angrepsvinkelen) ned. Dette reduserer lyftet (Fn) til bladet og dermed flappevinkelen [>. (Denne konstruksjonen av K-koplinga blir dg kalla eit «delta 3»oppheng).

Ei anna form for K-kopling

Det same resultatet kan vi få ved hjelp av

Stigingsvinkelen går ned

Stigingsvinkelen på bladet kan endrast ved hjelp av ein momentarm (momentarm for å forandre stigingsvinke­ len) som blir kontrollert av flygaren. Bladet roterer om lengdeaksen (akse for å forandre stigingsvinkelen). Når vi rører på moment­ armen, blir verdien på stigingsvinkelen på bladet forandra.

stigingsvinkelen («pitch change lever»)

I A festar vi råda for å forandre stigingsvinkelen

Dersom flygaren ikkje initierer nokon kontrollrørsler, er punkt A eit fast punkt.

Dersom punkt A er forskyvd jamført med flappeaksen (det blir da danna ein vinkel i med flappeaksen), har vi ei kopling som endrar stigningsvinkelen når bladet flappar, eller K-kopling.

Effekten av K-KOPLINGA varierer med vinkelen «i».

57

Når bladet stig (flappar opp), går stigings­ vinkelen gå ned

For halerotoren gjeld det same som for hovudrotoren, bortsett frå at - han opererer i vertikalplanet - dei kreftene som påverkar han, er mykje mindre

- han har eit flappehengsel der K-koplinga er tilstrekkeleg for å få draggekreftene ned til eit akseptabelt nivå - han har berre ein kollektiv kontroll av stigingsvinkelen (ingen syklisk variasjon i stigingsvinkelen) Ved at punkt A er eit fast punkt (på grunn av at flygaren held kontrollorgana i ro), roterer bladet rundt lengdeaksen når det flappar opp, gir ein gradvis reduksjon i stigingsvinkelen.

Vi kjem tilbake til oppgåvene og ulempene til halerotoren seinare.

For å oppsummere:

FLAPPEHENGSELET: - Det kansellerer det vertikale bøymomentet ved rotenden av bladet.

Ved å gi hengselet for å forandre stigingsvinkelen ei opplagring, er det mogleg å forandre stigingsvinkelen på bladet ved å rotere bladet rundt lengdeaksen (eller aksen for å forandre stigingsvinkelen). Det er flygaren som har kontrollen over denne forandringa av stigingsvinkelen.

- Når vi flyg framover, kompenserer det lyftdissymmetrien mellom framovergåande og bakovergåande blad.

Men bladflappinga genererer eit horisontalt bøymoment ved bladrota (sjå draggehengsel).

K-koplinga (stigingsvinkelen/ flappekoplinga) reduserer ampli­ tuden (p) til flappinga. Når bladet stig (flappar opp), vil stigingsvinkelen gå ned.

DRAGGEHENGSELET: - Det kansellerer det horisontale bøymomentet ved rotenden av bladet som blir laga av bladflappinga.

Men dei vekslande bladoscillasjonane om draggeaksen forstyrrar like­ vekta i rotoren. Dette skaper vibrasjonar. For å redusere draggevinkelen kan vi redusere flappevinkelen, som er årsaka til problemet (sjå K-kopling).

58

4.1 SPØRSMÅL 1

Kva er oppgåva til a) halerotoren b) hovudrotoren

2

Teikn eit hovudrotorblad med rotorhovud og marker a) lengdeaksen b) bladtippen c) trykksenteret d) rotasjonssenteret e) tyngdepunktet f) lengda g) radien h) bladrota

3

Teikn ein figur og vis ved hjelp av vektorar korleis farten på den relative vinden varierer langs bladet.

4

Forklar omgrepet «aeordymanisk senter».

5

Korleis kontrollerer vi angrepsvinkelen på blada?

6

Forklar og vis med ein figur kva for nokre krefter som verkar på eit blad i rotasjon.

7

Definer omgrepet «flap».

8

Definer omgrepet -drag».

9

Kvifor blir rotorblada bygde vridde?

10

Forklar problematikken kring trykksentervandring.

11

Forklar oppgåva til a) flappehengselet b.) draggehengselet

12

Forklar og vis med ein figur korleis bladet kjem i likevekt ved a) flapping b) dragging

13

Definer a) koningsvinkelen b) rotorskiva f «rotor disk») c) skivebelastninga f «disk loading») d) soliditetsfaktoren e) rotasjonsplanet f) drivplanet g) flappevinkelen h) drivaksen i) ikkje-flappande akse

14

Korleis oppfører rotorlyftet seg jamført med rotasjonsplanet til rotoren?

15

Kva for nokre variablar og konstantar påverkar rotorlyftet FN?

16

Forklar og utdjup problematikken kring lyftdissymmetri på hovudrotoren.

17

Vis med ein figur variasjonen i den relative bladfarten (VR) på ein rotor når vi flyg framover.

18

a) b)

19

Kva for eit konstruksjonstiltak kan brukast for å redusere draggevinkelen?

20

Forklar to effektar som vi får på grunn av lyftvariasjonen mellom framovergåande og bakover­ gåande blad på ein rotor som ikkje er artikulert Cheilt stiv) i flappeplanet.

21

Kva slags effekt har bladflappinga på stigingsvinkelen til blada?

22

Forklar omgrepet «gyroskopi.sk presesjon».

23

Forklar den effekten som flappinga har på tangensialfarten til blada.

24

a) b) c)

25

Korleis er halerotoren konstruert med omsyn til kreftene i flappe- og draggeplanet?

Kvifor bruker vi K-koplinga? Vis med ein figur og forklar to prinsipp for konstruksjon av K-koplinga.

Forklar kva vi meiner med Coriolis-krefter. Korleis verkar Coriolis-kreftene på rotorblada? Korleis kan vi kansellere effekten av Coriolis-kreftene?

59

5 Kontroll av løftet fra rotoren GENERELT

Eller den kontrollerte forandringen av bladenes stignirigsvinkel

Om Karlson liker det eller ikke, blir vi frem­ deles nødt til å se på hovedrotoren.

,

stigningsvinkelen («pitch change rod»)

stigningsvinkelen («pitch change lever»)

Det er bare én måte å kontrollere størrelsen og ret­ ningen til rotorens løft på: ved å forandre bladenes STIGNINGSVINKEL (0). Det gjør vi ved å vri bladet rundt den langsgående aksen.

Variasjon i stigningsvinkelen 0 gir variasjon i angrepsvinkelen a, som gir variasjon i LØFTET Fn.

Disse tre verdiene varierer sammen.

Prinsippet for en kollektiv forandring av stigningsvinkelen («collective pitch change»)

Kontroll av det vertikale løftet opp­ nås ved en kollektiv

forandring av bladenes stigningsvinkel.

Metningskontroll av løftet oppnås ved en syklisk forandring av bladenes

stigningsvinkel.

En kollektiv forandring av stigningsvinkelen er definert som en samtidig og like stor forandring av stignings­ vinkelen på alle bladene i en rotor. En kollektiv forandring av stigningsvinkelen vil forandre størrelsen på Fn, men har ingen innvirkning pa retningen.

Prinsippet for en syklisk forandring av stigningsvinkelen («Cyclic pitch change»)

Vi har en syklisk forandring av stigningsvinkelen når stignings­ vinkelen gjennomgår en konti­ nuerlig forandring i forhold til antall roterte grader. Det vil si at stigningsvinkelen gjennom en omdreining forandres fra en minimumsverdi til en maksimumsverdi tilbake til en mini­ mumsverdi. Minimums- og maksimumsverdiene opptrer 180° fra hverandre. Denne sykliske forandringen av stig­ ningsvinkelen (kontrollert av flygeren) fører til en syklisk variasjon i bladløftet. Rotasjonsplanets helning øker når forskjellen 0 MAKS - 0 MIN øker.

60

Rotasjonsplanets helning («TiIt angle»)

Den sykliske forandringen av stig­ ningsvinkelen forandrer retningen på FN, men har ingen virkning på størrelsen. Selv om rotasjonsplanet gis en helning, vil F\ fremdeles stå vinkelrett på rotasjonsplanet.

Hvorfor må FN variere?

Konstruksjonen som gjør en kollektiv forandring av stigningsvinkelen mulig, bygger på et svært enkelt prinsipp.

Momentarm for å forandre stigningsvinkelen («pitch change lever»)

KOLLEKTIV FORANDRING AV 5TIGNINGSVINKELEN 6

Råde for å forandre stigningsvinkelen («pitch change rod») Styreplate («swash plate»)

„ , o i Bevegelse av flygerens i f ii kollektive stikke («collective pitch lever»)

Oppfør deg nå ikke som en jagerflyger, Karlson. Du går altfor fort fram ... Vaer litt tålmodig og les det som følger!

Styreplata beveges ved hjelp av den kollektive stikka («collective pitch lever»). Når den kollektive stikka beveges oppover/nedover, vil styre­ plata også bevege seg oppover/nedover langs hovedrotorakslingen. Dette fører til at stigningsvinkelen øker/minker på alle bladene sam­ tidig og med samme antall grader.

Midlere stigningsvinkel («mean pitch», MR)

Stor stigningsvinkel («high pitch», HR)

Liten stigningsvinkel («low pitch», LR)

" Hovedrotoraksling . , r , («mam rotor shaft»)

Dette diagrammet viser hvordan den kollektive stignings­ vinkelen 0 varierer med posisjonen til den kollektive stikka.

Kollektiv stigningsvinkel

Styreplata («swash plate»)

Kontrollforbindelse

Kollektiv stikke («collective pitch lever»)

Indikasjon på størrelsen av den kollektive stignings­ vinkelen Lav stigningsvinkel = & Høy stigningsvinkel = 1S>°

61

Styreplata

SYKLISK FORANDRING AV STIGNINGS­ VINKELEN 0

Roterende del av styreplata («rotating star»)

Råde for å forandre stigningsvinkelen («pitch change rod»)

Lager

Kontrollråde eller servojekk

Hovedrotoraksling

Sfærisk lager

Stasjonær del av styreplata («fixed star»)

Kontrollplanet

Bevegelsen av styreplata

Kontrollplanet er det planet som styreplata blir holdt i. Når styreplata står vinkelrett på hovedrotorakslingen, opptrer ingen syklisk forandring av stigningsvinkelen. Vi forstår at kontrollplanet må gis en helning for at vi skal få en syklisk for­ andring av stigningsvinkelen.

En kollektiv kontroll av stigningsvinke­ len kontrolleres ved hjelp av den kollektive stikka. Styreplata beveger seg opp og ned langs hovedrotorakslingen og vinkelrett på den. Det opptrer ikke noen syklisk forandring av stigningsvinkelen. Kontrollplanet er vinkelrett på hovedrotorakslingen.

Hovedrotor-

Styreplata er en viktig kompo­ nent når vi skal gi en syklisk forandring av stigningsvinkelen. Vi vet at den kan bevege seg opp og ned langs hovedrotorakslingen, men faktum er at den også kan gis en helning i en hvilken som helst retning. Når flygeren beveger på den sykliske stikka, følger styreplata stikkebevegelsen og får en helning i en eller annen retning. De posisjonene som styreplata får, overføres gjennom rådene for å forandre stigningsvinkelen og bladenes momentarm for å forandre stigningsvinkelen til bladene. Vi må se nærmere på dette!

En syklisk kontroll av stigningsvinke­ len kontrolleres ved hjelp av den sykliske stikka. Styreplata kan beveges om senteret O og gis en helning i et hvilket som helst plan. Kontrollplanet er ikke lenger vinkelrett på hoved­ rotorakslingen, og en syklisk for­ andring av stigningsvinkelen opptrer.

Mekanisk oppbygning av rotorhodet for å kunne

gi en syklisk forandring av stigningsvinkelen

SAMMENSATT BEVEGELSE: Dette er den vanligste situa­ sjonen. En kollektiv forandring av stigningsvinkelen og en syklisk forandring av stigningsvinkelen opptrer samtidig.

62

Den roterende delen av styreplata blir drevet fra rotorhodet gjennom en saksforbindelse («scissor link»). Fordi denne saksa roterer med rotorhodet og drar med seg den roterende delen av styre­ plata, kalles den en roterende saks («ROTATING SCISSOR”).

Midthengselet i saksa vil tillate at styreplata beveges

Hver momentarm for å forandre stigningsvinkelen på bladene er forbundet med den roterende delen av styreplata ved hjelp av råder («pitch change rods»). Av figuren ovenfor kan vi se at punkt E vil følge en bane som er bestemt av helningen på kontrollplanet eller styreplata.

Hvordan virker en helning av styreplata inn på banen til kontrollpunkt E?

Cl

Ai l

' Cl

jDi Hvis styreplata gis en helning om aksen YY', følger banen for kontrollpunktene E styreplata og får samme helning. Fra posisjon Aj til posi­ sjon Q blir kontrollråden dyttet OPPOVER. Under rotasjonen videre blir kontrollråden trukket NEDOVER fra posisjon C2 til posisjon Aj. I posisjon B] og Dj har kontrollrådene samme stilling som før styreplata fikk helningen sin.

På grunn av lengden på momentarmen befinner kontrollpunktet E seg i en vinkel «i’» foran bladets lengdeakse. Dette vil si at når bladet befinner seg i posisjon A, er bladets kontroll­ punkt E i posisjon Ar Når vi tilfører en kontrollbevegelse i E, skjer dette ved AP Virkningen blir at bladets stigningsvinkel forandrer seg, men bladet befinner seg i A («f» grader etter Aj).

La oss se litt nærmere pa dette ved å følge et blad gjennom en hel omdreining.

Praktisk virkning

Fra A| til Cj blir kontrollrådene dyttet OPPOVER:

Fra Cj til A, blir kontrollrådene trukket NEDOVER:

STIGNINGSVINKELEN ØKER.

STIGNINGSVINKELEN AVTAR

}

1

Helningen av styreplata gir oss en syklisk forandring av stignings­ vinkelen.

90° etter Aj er kontrollpunktet E i posisjon Bj. Vi ser her at E befinner seg midt mellom den laveste og den høyeste stillingen. Bladets stigningsvinkel (i posisjon B) har middelverdien sin. som tilsvarer den kollektive stigningsvinkelen som er tilført.

I posisjon Aj er kontrollpunktet E ved den laveste stilling­ en sin. Dette fører til at bladets stigningsvinkel (i posisjon A) er minimal (en minimal syklisk stigningsvinkel).

Etter en halv omdreining (180°) er vi kommet til posisjon Cj. Kontrollpunktet E er ved den høyeste stillingen sin. Bladets stigningsvinkel (i posisjon C) er maksimal (en maksimal syklisk stigningsvinkel).

I B er midlere stigningsvinkel = kollektiv stigningsvinkel.

63

Vi ser at dersom kontrollpunktet E blir trukket nedover til en mak­ simalverdi d i posisjon Ab vil vi i motsatt posisjon ved Q finne at kontrollpunktet E her er blitt hevet til samme maksimalverdi d.

I posisjon Dj er forholdene som de var ved BP Bladets stignings­ vinkel (i posisjon D) har nå middelverdien sin og tilsvarer den kollektive stigningsvinkelen som er tilført.

Vi kan si at økningen i stigningsvinkel ved Cj tilsvarer minskningen i stigningsvinkel ved Ab Denne symmetrien vil vi finne ved alle motsatt rettede posisjoner.

Før vi ser på virkningen av en syklisk forandring av stigningsvinkelen, la oss oppsummere prinsippet.

Midlere stigningsvinkel Maksimal stigningsvinkel

(Kollektiv 0)

Minimal stigningsvinkel

En syklisk forandring av stigningsvinkelen kan også illustreres ved hjelp av et diagram.

Midlere stignings­ vinkel

I A har stigningsvinkelen minimums­ verdien sin, og i C har den maksimums­ verdien sin. Fra A til C vil stignings­ vinkelen øke jevnt. Vi sier at forandringen i stigningsvinkel er positiv.

Fra C til A vil stigningsvinkelen avta jevnt. Vi sier at forandringen i stigningsvinkel er negativ. I B og D vil stigningsvinkelen tilsvare den tilførte kollektive stigningsvinkelen.

Amplituden for en syklisk for­ andring av stigningsvinkelen er proporsjonal med helningen på styreplata EJladposisjoner

64

VIRKNING AV EN SYKLISK FORANDRING AV STIGNINGS­ VINKELEN

Vi har tidligere sett på den sideveis forskyvningen av løftet («lateral lift dissymmetry»), På grunn av hastighets­ forskjellen på den relative vinden mellom framovergående og bakovergående blad oppstod det en syklisk forandring av angrepsvinke­ len. Når det blir produsert en syklisk forandring av stigningsvinkelen, oppstår det også en syklisk for­ andring av angrepsvinkelen. Ved en kontrollert helning av styreplata kan vi tilføre denne effekten i en hvilken som helst retning.

La oss repetere et grunnleggende prinsipp-. En forandring av angrepsvinkelen fører til en forandring av løftet (Fn) og en flappebevegelse på bladet ((3). Men denne virkningen gjør seg gjeldende først 90° etter at forandringen av angrepsvinkelen fant sted. Et eksempel: Hvis stigningsvinkelen er maksimal i C (også angrepsvinkelen er maksimal), vil løftet Fn og flappevinkelen nå MAKS-verdien sin i D} 90° etter C. Hvis stigningsvinkelen er minimal i A. vil Fn og flappevinkelen være minimal i B.

Konklusjon nr. 1:

En syklisk variasjon av stigningsvinkelen forårsaker en helning av rotasjonsplanet. Helningsvinkelen er proporsjonal med helningen på styreplata.

Når styreplata får en helning, oppstår det sykliske forandringer som fører til variasjoner i bladenes løft. Dette fører igjen til at ROTASJONSPLANET FÅR EN HELNING. Men husk at bladenes opphengning og kontroll gir oss et automatisk løftreguleringssystem.

Glem ikke:

- Når et blad flapper opp, avtar angrepsvinkelen. - Når et blad flapper ned. øker angrepsvinkelen.

Den sykliske forandringen i løftet som blir produsert av den sykliske forandring­ en av stigningsvinkelen, forårsaker en forandring av bladenes flappevinkel |3. I eksempelet ovenfor er |3 maksimal i D (et maksimalt løft) og minimal i B (et minimalt løft). Rotasjonsplanet har fått en helning.

Løftet holder seg dermed konstant, og en syklisk løftvariasjon opptrer bare et kort øyeblikk etter at styre­ plata har fått en ny helning. Når bladene begynner å flappe på grunn av en syklisk variasjon i stignings­ vinkelen, blir bladenes løft Fn konstant igjen. Løftet får da sin opprinnelige størrelse, som tilsvarer det eksisterende løftet gitt som en kollektiv stigningsvinkel.

Konklusjon nr. 2:

For en gitt verdi av den kollektive stigningsvinkelen har en syklisk forandring av stigningsvinkelen ingen innvirkning på størrelsen av det totale ROTORLØFTET (FØ.

SYKLISKE FORANDRINGER FOR BEVEGELSE SIDEVEIS («LATERAL») OG FRAM OG TILBAKE («FORE AND AFT») Hvordan vi kan kon­ trollere helningsretningen på rotorens rotasjonsplan.

For å oppnå en hvilken som helst helningsretning kan vi bevege styreplata om to akser (xx1 og yy'). De står vinkelrett på hverandre. Aksene går da gjennom de punktene der kontrollsignalene fra den sykliske stikka blir tilført styreplata.

Den sykliske stikka er det kontrollorganet som gir flygeren kontroll over størrelsen og retningen på de sykliske variasjonene. Denne stikka kan beveges i alle retninger. Når den sykliske stikka blir beveget, forer det til at styreplata får en helingsvinkel. Det fører igjen til at rotasjonsplanet får en helningsvinkel.

65

Rotasjonsplanet får en helning framover

Rotasjonsplanet får en helning til den siden som stikka beveges. Her beveges stikka til høyre. Rotasjons­ planet får en helning til høyre

Rotasjonsplanet får en helning bakover

Bevegelse av den sykliske stikka fram og tilbake

bare når stikka beveges sideveis

. .... f , Nar den sykliske stikka beveges framover eller bak­ over, vil styreplata få en helning om aksen YY1 og bare om denne aksen.

Bevegelse av den sykliske stikka sideveis

Når den sykliske stikka beveges til høyre eller til venstre, får styreplata en helning om aksen xx1 og bare om denne aksen. Både høyre og venstre kontrolljekk blir beveget like mye i motsatt retning. Både ved fram- og tilbakebevegelsen og ved den side­ veis bevegelsen av stikka er stikkas vinkelutslag propor­ sjonalt med den helningsvinkelen som styreplata får.

66

Høyre Fram

X ^yenstre

Fram Venstre

Pen sykliske stikka beveget til venstre

Kombinert bevegelse av den

sykliske stikka

Når stikka blir beveget til en eller annen mellomstilling, får styre­ plata en helning om både xx1aksen og yy'-aksen. Helningen er proporsjonal med stikkas bevegelseskomponenter sideveis og framover/bakover.

Eksempel: Stikka beveges framover og til venstre

Y Framover

Høyre Venstre

Bevegelseskomponent framover/bakover Bevegelseskomponent sideveis

Y'

X'

Vi har sett hvordan styreplata gis en helning, og hvilke akser den beveger seg om. Men det er viktig at heli­ kopteret virkelig beveger seg i nøyaktig den retningen som flygeren beveger den sykliske stikka. Det blir bestemt av hvordan aksene xx' og yy1 er plassert i forhold til helikopterets akser.

Den resulterende bevegelsen til stikka

Vi nærmer oss problemet

M&m^rrtarm for å forandr^ stignings­ vinkelen

Framover

Kontrollpunkt

Helikopterets senterlinje

tverrakse

For å gi rotasjonsplanet en helning framover beveger vi den sykliske stikka framover. Vi har også sett at styreplata beveges om xx'-aksen og yy1-aksen. Aksene står vinkelrett på hverandre og gjør det mulig å stille styreplata i en hvilken som helst helningsvinkel.

HUSK: — Bladets flappevinkel er maksimal (p MAKS) 90° etter den posisjonen der bladet hadde en maksimal stignings­ vinkel fØ MAKS). Bladets flappevinkel er minimal (p MIN) 90° etter den posisjonen der bladet hadde en minimal stigningsvinkel (0 MIN)

Hvis nå rotasjonsplanet skal få en helning framover, må en maksimal stigningsvinkel gis når bladet er i posisjon B, og en minimal stigningsvinkel når bladet er i posi­ sjon D. Bladets flappevinkel vil være maksimal i posi­ sjon C og minimal i posisjon A. Rotasjonsplanet får en helning som er rettet framover.

Når styreplata har en helning som vist ovenfor, vil kontrollpunktet E ha sitt høyeste og laveste punkt rett over aksen xx1. Høyeste og laveste punkt ligger 180° overfor hverandre.

67

Hvordan kan vi oppnå en nødvendig førkontroll på 90°?

Som vist på figuren ligger xx'-aksen i en vinkel i forhold til helikopterets lengdeakse. Når vi skal fly rett framover, vil det laveste punktet på styreplata være i posisjonen D1. Vi ser at kontrollpunktet E ligger rett over xx1aksen når bladet befinner seg i D. Fra bladets posisjon (D) til rett-fram-posisjonen (A.) er det 90° i rotasjonsplanet. Det vil si at når bladet befinner seg 90° før rett-fram-posisjonen, ligger kontrollpunktet E rett over det laveste punktet på styreplata. Det gir bladet en mini­ mal stigningsvinkel i posisjon D. Virkningen kommer først 90° senere og fører til et mini­ malt løft og en minimal flappevinkel i posi­ sjon A. I posisjon Bj har styreplata det høyeste punktet sitt. En maksimal stigningsvinkel finner vi i posisjon B og et maksimalt løft og en maksimal flappevinkel i posisjon C. Rota­ sjonsplanet inntar en helning som er rettet slik at vi flyr i overensstemmelse med stikkeutslaget rett framover.

Vi har sett at den plasseringen som vi gav xx-aksen ovenfor, virket tilfredsstillende. Dermed har vi også bestemt hvor aksen yy' skal være plassert. Nå kan du sette deg ned og gjøre en sjekk. Dersom styre­ plata gis en helning om xx1aksen, skal rotasjonsplanet få en helning til den siden som vi beveger den sykliske stikka.

Karlson på taket synger rotorblues ...

Vi tar en rask gjennomgang for å gjøre oss ferdige.

Vi beveger den sykliske stikka framover eller bakover. Styre­ plata får en helning om yy1aksen. Det gir en syklisk for­ andring av stigningsvinkelen. Hvis stikka beveges framover, får vi en maksimal stignings­ vinkel i posisjon B og en mak­ simal flappevinkel i posisjon C. Rotasjonsplanet får en helning framover. Hvis stikka beveges bakover, får vi maksi­ mal stigningsvinkel i posisjon D og en maksimal flappe­ vinkel i posisjon A. Rotasjons­ planet får en helning bakover.

Hvis vi beveger den sykliske stikka enten til høyre eller til ven­ stre, får styreplata en helning om xx'-aksen. Det vil også gi en syklisk forandring av stigningsvinkelen.

MED STIKKA TIL HØYRE: • En maksimal stignings­ vinkel i posisjon C • En maksimal flappe­ vinkel i posisjon D • Rotasjonsplanet får en helning til høyre MED STIKKA TIL VENSTRE: • En maksimal stignings­ vinkel i posisjon A

• En maksimal flappe­ vinkel i posisjon B • Rotasjonsplanet får en helning til venstre

5.1 SrøRSMÅL 1

Lag a) b) cl dl

2

Definer hva som menes med en kollektiv forandring av stigningsvinkelen.

3

Definer hva som menes med en syklisk forandring av stigningsvinkelen

4

Lag en skisse av et rotorsystem og forklar hvordan en bevegelse av flygerens kollektivkontroll blir overført til hovedrotorbladene.

5

Vis i et koordinatsystem hvordan den kollektive stigningsvinkelen varierer med kollektivkontrollens posisjon.

6

Lag al bl cl dl e.) f) gl

7

Vis med figurer den mekaniske oppbygningen av rotorhodet som gjør en syklisk forandring av stigningsvinkelen mulig.

8

Helningen av styreplata gir en syklisk forandring av stigningsvinkelen. Forklar hvordan kontroll­ rådene for å forandre stigningsvinkelen og stigningsvinkelen forandrer seg gjennom en om­ dreining når styreplata er gitt en helning.

9

Vis i et koordinatsystem hvordan en syklisk forandring av stigningsvinkelen vil variere med de forskjellige posisjonene som bladet har gjennom en omdreining. Angi hvilken effekt en større eller mindre helning av styreplata vil ha på kurven i koordinatsystemet.

10

Forklar hvorfor en syklisk forandring av stigningsvinkelen ikke har noen innvirkning på størrelsen av det totale rotorløftet (Fx) for en gitt verdi av den kollektive stigningsvinkelen.

11

Vis a) b) c) d)

12

Vis med en figur og forklar hvilken innvirkning en kombinert bevegelse av den syklisk stikka (f.eks. framover og til høyre) har på styreplata.

13

Forklar og vis med en figur hvordan bladets flappevinkel ((3) forholder seg til bladets stignings­ vinkel (0).

14

a) b)

15

Tegn figurer av styreplata og definer posisjonene for en maksimal stigningsvinkel og en maksimal flappevinkel når a) den sykliske stikka beveges rett framover b) den sykliske stikka beveges rett bakover c) den sykliske stikka beveges rett til høyre d) den sykliske stikka beveges rett til venstre e) den sykliske stikka beveges 45° framover og til høyre

en figur av et rotorhode med rotorblad og sett navn på disse delene: Momentarm for å forandre stigningsvinkelen Kontrollråde for å forandre bladenes stigningsvinkel Opplagring for å forandre bladenes stigningsvinkel Lengdeaksen

en skisse av en styreplate med hovedrotoraksling og sett navn på disse delene: Råde for å forandre stigningsvinkelen Den roterende delen av styreplata Den stasjonære delen av styreplata Kontrollråde eller servojekk Hovedrotoraksling Sfærisk lagerkule Opplagring mellom den stasjonære og den roterende delen av styreplata

med figurer hvordan rotorens rotasjonsplan vil få en helning når den sykliske stikka beveges framover bakover til høyre til venstre

Hva menes med førkontroll? Hvordan kan vi konstruksjonsmessig oppnå en førkontroll på 90°?

69

6 Hoved rotoren e reaksjonsmoment Til enhver aksjon hører en like stor og motsatt rettet reaksjon. Vi kan se dette i praksis på et helikopter med en hovedrotor. For å få rotoren til å rotere tilfører vi akslingen motorkraft. Det virker et moment (Cm) som får hovedrotorakslingen til å rotere. Hovedrotorakslingen er festet til helikopterets struktur gjennom en girboks. Gjennom den blir det overført et reaksjonsmoment CR som er like stort og motsatt rettet i forhold til det momentet som vi tilførte hovedrotor­ akslingen (Cm). Hvis dette reaksjonsmomentet ikke ble kompensert for, kunne ikke helikopteret fly.

Halerotoren gjor at reaksjonsmomentet fra hovedrotoren likevel ikke far helikopteret til a rotere.

Vanlig halerotor

Hvordan

kan reaksjons­ momentet

fra hovedrotoren bli kompensert

Halerotoren er plassert bak på helikopterskroget. Den roterer i VERTIKALPLANET og blir drevet av den samme motoren som hovedrotoren. Den gir en skyvekraft i HORISONTALPLANET som er motsatt rettet i forhold til reaksjonskraften fra hovedrotoren.

Karlsonll! Hva har

for?

Vifte brukt som halerotorflate

Halerotorens skyvekraft Tv opptrer vinkelrett på rotasjonsplanet. Halerotormekanismen

Halerotoren er bygd opp av følgende komponenter:

- Opphengning og opplagring for å for­ andre stigningsvinkelen. Det gjør det mulig å kontrollere skyvekraften Tv. Vi forandrer stigningsvinkelen på bladene kollektivt. - Flappehengsler. Kompenserer for rela­ tive hastighetsforskjeller mellom framovergående og bakovergående blad. - Flappe-stigningsvinkelkopling (K-kop­ ling). Reduserer effekten av bladenes flapping.

Vær oppmerksom på at det her ikke er noen »drag»-hengsler.

7(9

I

Akse for å for-

Vær også oppmerksom på at en vifte brukt som halerotor ikke trenger flappehengsler. Fordi selve rotoren er kapslet inne i rotasjonsplanet, er bladenes relative hastighet konstant under rota­ sjonen. Det vil si at vi ikke har noen hastighets­ forskjell mellom bakovergående og forovergående blad. Skyvekraften fra vifta virker også vinkelrett på rotasjonsplanet.

Reaksjonsmomentet (CR) fra hovedrotoren forsøker å vri helikopteret i denne retningen.

LA OSS GÅ TILBAKE TIL HOVEDBOTOBENS KEAKSJONSMOMENT.

Skyvekraften T fra halerotoren for­ søker å vri helikopteret i motsatt retning. Disse to effektene opphever hver­ andre når momentet av kraften Tv i forhold til helikopterets tyngdepunkt (TP) er like stort som reaksjons­ momentet. L • Y = CK

VIRKNINGEN AV HALEROTORENS SKYVEKRAFT

Stigningsvinkelen til halerotorbladene blir valgt slik at kraften mot halebommen (Tv) til enhver tid skal oppheve reaksjonsmomentet fra hovedrotoren. Vi plasserer halerotoren så langt bak på skroget for å få en størst mulig virkningsarm på kraften Ty. Det er et faktum at lengden 1 på momentarmen må økes så mye som mulig for i samme forhold å redusere størrelsen av skyvekraften Tv, som forbruker motorkraft. Utbalansering av vridningsmornentet ved hjelp av én kraft eller uønskede

Husk grunnleggende notater: 1 KRAFT = 1 KRAFT + 1 VRIDNINGSMOMENT

Hvordan blir denne sideavdriften utbalansert?

Et vridningsmoment kan ikke utbalanseres ved at vi tilfører én kraft. Derfor gir skyvekraften Tv

- en kraft Tv, som når det blir tilført tyngdepunktet TP. gir helikopteret en sideavdrift

For å utbalansere sideavdriften T må vi tilføre en like stor og motsatt rettet kraft. Det kan vi gjøre ved å gi hovedrotoren en liten helning som er motsatt rettet i forhold til retningen til Tv. Helningen må være så stor at den horisontale komponenten Fv av løftet FN er like stor som Tv.

Fy = Tv

Fy = Y

- et vridningsmoment Tv med en momentarm 1 som kansellerer reaksjonsmomentet fra hovedrotoren

Dette kan vi bare oppnå ved å gi en syklisk forandring av stigningsvinkelen. Hvis avdriften er til høyre, må den sykliske stikka beveges til venstre og omvendt. Men for flygeren er det tungt å sitte og holde den sykliske stikka ut til siden hele tiden. Vi kan derfor

Flere problemer med skyvekraften fra halerotoren ... Rolltendens

- bygge helikopteret med en fast helning på hovedrotorakslingen i motsatt retning av avdriften - legge inn en justering i overføringene fra den sykliske stikka, slik at styreplata får en fast helning. Dette vil igjen gi oss en helning av rotasjonsplanet som er motsatt rettet i forhold til avdriften Disse virkemidlene kan bare gi oss en fullstendig utbalansering av sideavdriften ved en bestemt hastighet/belastning på helikopteret, fordi de er faste monteringer/justeringer. Systemene bygges gjerne slik at sideavdriften skal være null ved marsjfart og ved en normal tyngde på helikopteret. Ved andre kombinasjoner av fart/tyngde må flygeren selv ved hjelp av den sykliske stikka kompensere for sideavdriften. Det finnes datastyrte flygekontrollsystemer som under alle flyforhold automatisk kompenserer for sideavdriften.

kalles en halefinne («pylon») og gir et høyt monteringspunkt for halerotoren.

For å oppheve sideavdriften gav vi hovedrotoren en helning som var motsatt rettet i forhold til sideavdriften. Tenker vi oss den kraften som gir en sideavdrift, vil den angripe i et punkt som i høyde bestemmes av hvor høyt halerotoren er plassert. Vi hadde at Fv = Tv, men disse kreftene er plassert i avtanden h fra hverandre. Det oppstår et moment som forsøker å gi helikopteret en helning til siden. For å redusere denne effekten forsøker konstruktøren å plassere halerotoren slik at avstanden h blir null under normale flyforhold.

71

Variasjoner i hovedrotorens reaksjonsmoment og variasjoner

i kreftene som ut­ balanserer reaksjons­

momentet

Reaksjonsmomentet fra hovedrotoren er like stort og motsatt rettet i forhold til det vridningsmomentet som motoren tilfører hovedrotoren. Vridningsmomentet fra motoren (Cm) utbalanserer motstanden på rotorbladene Fx. Som vi har sett tidligere, vil Fx variere med stignings­ vinkelen 0. Når stigningsvinkelen 0 varierer, må vi også variere vridningsmomentet som blir tilført hovedrotoren, for at rotoren skal beholde det konstante turtallet sitt.

VARIASJON I SKYVEKRAFTEN FRA HALEROTOREN (Ty) På tegningen er det valgt en halerotor som er trebladet, og som roterer som indikert. Den utbalanserer reaksjonsmomentet fra hovedrotoren, som roterer med klokka.

På halerotoren produserer vi skyve­ kraften Tv ved en kollektiv for­ andring av bladenes stigningsvinkel..

Kontrollråde som går gjennom rotorhodet. Gjennom stag-/ vaierforbindelser er det over­ føring fra pedalene og bak til denne kontrollråden.

Arm kors («spider»)

En forandring av stigningsvinkelen på bladene skjer ved at vi beveger kontroll­ råden. Armkorset i enden av kontroll­ råden vil følge bevegelsen og overføre den gjennom råder til bladenes moment­ arm for å forandre stigningsvinkelen.

8 øker Forandring av halerotorens stigningsvinkel blir kontrollert ved hjelp av pedalene.

Pedaler

Framover

72

Råde for å forandre stigningsvinkelen

T øker

8 avtar Høyre pedal fram 0 øker

; Venstre pedal fram 0 avtar

Momentarm

T avtar

1 Overføring til kontrollråden

For å opprettholde helikopterets balanse om yaw-aksen må flygeren hele tiden regulere skyvekraften fra halerotoren slik at den stemmer med reaksjonsmomentet fra hovedrotoren. (Reaksjonsmomentet for­ andres med stigningsvinkelen.)

Kollektiv- til -yaw-sammenkopling

For at flygeren skal slippe å korrigere for enhver forandring i reaksjonsmomentet, er det laget en mekanisme som kopler sammen kollektivkontrollen (den kollektive stikka) og yawkontrollen (pedalene) («collective-yaw interlink»).

EKSEMPEL: Hvis hovedrotorens stigningsvinkel 9 oker, må flygeren skyve høyre pedal framover inntil halerotorens skyvekraft Ty øker sa mye at den utbalanserer den nye verdien på hovedrotorens reaksjonsmoment.

Men halerotoren skal ikke bare kompensere for reaksjons­ momentet. Den blir også brukt til å kontrollere helikopteret om yaw-aksen. -

For å dreie til høyre skyver vi høyre pedal framover. For å dreie til venstre skyver vi venstre pedal framover.

Dette fører til at helikopterets yaw-balanse blir midlertidig ødelagt. Dersom vi øker eller minsker skyvekraften på halebommen til et helikopter som er i balanse om yaw-aksen, vil halebommen skyves ut til en av sidene. Vi vil dreie til høyre eller til venstre.

VIRKEMÅTE: Dersom flygeren drar kollektivkontrollen oppover, vil hovedrotorbladenes stigningsvinkel øke, og vi får et økt reak­ sjonsmoment fra hovedrotoren. Men samtidig som dette skjer, vil kollektiv- til -yaw- sammenkoplingen sørge for at stigningsvinkelen øker også på halerotorbladene. Det vil si at halerotorens skyve­ kraft øker og utbalanserer det økte reaksjonsmomentet fra hoved­ rotoren uten at flygeren trenger å korrigere med pedalene sine. Systemet gir altså en automatisk kontroll av halerotoren når kollektivkontrollen beveges.

For å få en automatisk kompensasjon av sideavdriften over hele operasjonsområdet bruker vi et system der den sykliske og den kollektive kontrollen er koplet sammen. VIRKEMÅTE: Dersom flygeren beveger den kollektive kontrollen, forandres reaksjonsmomentet fra hovedrotoren. Nå blir det straks kompensert for forandringen i reaksjonsmomentet, og det fører til at sideavdriften forandres. Men samtidig som dette skjer, sørger den sykliske/kollektive sammenkoplingen for at styreplata og der­ med hovedrotoren får en helning som er så stor at sideavdriften nulles ut. Det vil si at systemet gir en automatisk kontroll av side­ avdriften når kollektivkontrollen beveges. Systemet er gjerne inn­ bygd i helikoptre med autopilot.

Automatisk driftkompensasjon.

Vi har tidligere sett hvordan vi kunne bygge rotorsystemet for å kompensere for sideavdriften. Disse konstruksjonsmessige virke­ midlene gav oss null sideavdrift ved en viss hastighet i forhold til helikopterets tyngde. Utenfor dette forholdet måtte flygeren selv kompensere for sideavdriften.

Syklisk kontroll

Kollektiv kontroll

Syklisk/ kollektiv sammen­ kopling

73

6.1 SPØRSMÅL 1

Forklar hensikten med kollektiv-til-yaw-sammenkopl ingen.

2

Hvilke oppgaver har halerotoren?

3

Hvilke uønskede effekter gir halerotoren?

4

Lag a) b) c)

5

Forklar hvorfor helikopteret får en sideavdrift når vi kompenserer reaksjonsmomentet fra hoved­ rotoren ved å tilføre en skyvekraft ved hjelp av halerotoren.

6

1 Ivorfor trenger vi ikke flappehengsler dersom en vifte benyttes som halerotor?

7

Er retningen på sideavdriften avhengig av rotasjonsretningen pa hovedrotoren?

8

Du har sikkert sett at halerotoren kan sta montert på både høyre og venstre side av halebommen.

en tegning som viser halerotormekanismen med ett halerotorblad og forklar hensikten med opphengning og opplagring for å forandre stigningsvinkelen flappehengsel K-kopling

Diskuter ut fra egen tankegang hvorfor det er slik, og hvilken praktisk virkning forskjellige monteringer av halerotoren har.

9

74

a)

Forklar hvorfor en kompensasjon av sideavdriften medfører en rulletendens på helikopterskroget.

b)

Hvilke konstruksjonsmessige tiltak kan gjøres for å minske denne rulletendensen mest mulig?

c)

I hvilken flysituasjon er rulletendensen størst?

10

Tegn og forklar en mekanisme som viser hvordan vi ved hjelp av pedalene oppnår kontroll over halerotoren.

11

Hvilken praktisk virkning har det for flygeren når han under flygingen forandrer den kollektive stigningsvinkelen og dermed reaksjonsmomentet fra halerotoren?

7 Rotorens aerodynamikk ... og begrepene bakkeeffekt, autorotasjon og hastighetsbegrensning Når et helikopter flyr, drar rotoren luft ovenfra og sen­ der luftstrømmen nedover. Det fører til at den massen av luft som blir påvirket av rotoren, får en AKSELERA­ SJON. Vi vet at trykk og hastighet vil variere i en og samme luftstrøm.

- I luftstrømmen ovenfor rotoren vil lufttrykket være P() (atmosfæretrykk). Den relative strømningshastigheten Vo er lik og motsatt rettet i forhold til hastig­ heten og retningen til helikopteret. - I rotoren har luftens strømningshastighet økt og er lik Vj. I overflaten av rotoren er trykket Pj CP] < POJ; det vil si et undertrykk. I nedkant av rotoren er trykket Py fPi > Po); det vil si et over­ trykk.

- I luftstrømmen nedenfor rotoren har luftens strøm­ ningshastighet økt til V2. Lufttrykket er igjen P„ (atmosfæretrykk). Rotorens induserte hastighet

Oppstrøms oc

Indusert hastighet = 0

Økningen i lufthastigheten ffra Vo til V2) er jevn mellom oppstrøms uendelighet (oo) og nedstrøms uendelighet. Den er derfor også lik på begge sidene av rotorskiva. Denne økningen i hastighet kaller vi indusert hastighet VF eller «froude speed», fordi den blir indusert av rotoren. Mellom lufthastigheten i oppstrøms uendelighet og rotoren vil den induserte hastigheten øke jevnt. I rotordisken vil den induserte hastigheten ha verdien VF. Mellom rotoren og nedtrøms uendelighet vil verdien øke til 2VF. Den resulte­ rende relative lufthastigheten blir uttrykt slik:

—► —► —► Vi = Vo + VF

Med bakgrunn i denne meget generelle betrakt­ ningen skal vi se på luftstrømningsforholdene i • hover • vertikal flyging opp­ over

• vertikal flyging ned­ over • hurtig gjennomsynkning • sakte gjennomsynkning

• moderat gjennomsynkning • flyging forover

Hover

Oppstrøms

Vertikal flyging oppover

Oppstrøms æ Helikopteret stiger verti­ kalt med hastigheten V7 Ved oppstrøms uende­ lighet er Vo lik og mot­ satt rettet i forhold til stigningshastigheten (VO=VZ). Vz og VF har samme retning. Stigningshastig­ heten kan adderes til den induserte hastig­ heten. Helikopteret beveger seg ikke i forhold til luften omkring:

V,, = 0. I rotordiskens plan vil luften strømme med den induserte hastigheten V] = VF

V2 =Vz + 2Vf 75

Vertikal flyging nedover- hurtig gjennomsynkning: Vz > 2VF

Helikopteret er pa vei nedover. Dette forer til at luftstrømmen kommer nedenfra og passe­ rer opp gjennom rotoren. Ved nedstrøms uendelighet er hastigheten pa luftstrømningen Vz lik og motsatt rettet i forhold til helikopterets hastighet nedover. Den rotorinduserte hastig­ heten (VF) er fremdeles rettet nedover og motsatt rettet i forhold til Vz

Dette fører til at den resulterende lufthastigheten avtar. I rotoren er den lik Vz - V, og når Vz - 2Vf ved oppstrøms uendelighet. Ettersom Vz > 2VF, er denne hastigheten rettet oppover. Vi kan fastslå at rotoren vil gå rundt som en vindmølle under slike strømnings­ forhold.

Vertikal flyging nedover - moderat gjennom­ synkning: VF < Vz < 2VF

Gjennomsynkningen blir å betrakte som moderat når hastigheten Vz ved nedstrøms uendelighet er i området mellom VF og 2VF. Den induserte hastigheten VF er rettet nedover. Ettersom Vz > VF, skulle vi få en luftstrøm som var rettet oppover gjennom rotoren. Dette vil også skje, men Vz er mindre enn 2VF. Differansen Vz - 2VF blir da rettet nedover, noe som fører til at luftstrømmen over rotoren snur og går ned i rotorens periferi. Der de to luftstrømmene møtes over rotoren, blir det produsert en turbulens. Den aerodynamiske strømningen er forstyrret. Som under en hurtig gjenomsynkning blir rotoren drevet av luftstrømmen. Vi kaller denne effekten en GJENNOM­ SYNKNING MED AUTOROTASJON, noe vi kommer til­ bake til senere.

GJENNOMSYNKNING MED MOTOR ELLER VIRVELFORHOLD («VORTEX CONDITION») Vertikal flyging nedover - sakte gjennomsynkning (Vz < VF)

Under en hurtig og moderat gjenomsynkning hadde vi flyforhold uten at det ble tilført motorkraft til rotoren. Kreftene som påvirker rotoren, oppstår på grunn av luftstrøm­ men. En frihjulsenhet i transmisjonssystemet tillater rotoren å rotere fritt. Under en sakte gjennomsynkning har vi flyforhold med motorkraft tilført rotoren. Flygeren kan kon­ trollere gjennomsynkningen ved å holde den kollektive stigningsvinkelen på en litt lavere verdi enn ved en normal flyging. Ettersom den vertikale strømningshastigheten ved nedstrøms uendelighet fVz) er mindre enn den induserte hastigheten (VF), vil luft­ strømmen under rotoren snu og bli rettet nedover. Det vil oppstå et område med turbu­ lens, og en del av luftstrømmen som kommer ned gjennom rotoren, vil danne en virvel GVORTEX») nær bladtippene. Ved en synkehastighet pa omkring 2 m/s vil den oppoverrettede og den nedoverrettede luftstrømmen møtes i rotorskivas plan. Dette fører til at rotoren vil jobbe med den samme luftmassen hele tiden, og luftstrømmen vil danne en kraftig virvelring over bladtippene. Vi kaller dette fenomenet en GJENNOMSYNK­ NING MED MOTOR (-VORTEX CONDITION»), fordi vi med motorkraft tilført rotoren kan oppleve enorme synkehastigheter. Dette er en meget farlig situasjon, men dersom flygeren kjenner fenomenet, handler raskt og har høyde nok, er det likevel enkelt å komme ut av situasjonen. Han kan fly framover og redusere den kollektive stignings­ vinkelen for å etablere en autorotasjon.

GJENNOMSYNKNING MED MOTOR: Luftstrømmen går ikke gjennom rotoren lenger. Rotoren jobber med en luftmasse som danner en virvelring over bladtippene.

76

Flyging framover

HUSK: • Når vi flyr framover, fungerer rotoren både som en propell og som en vinge:

- Som propell akselererer den massen av luft som strømmer gjennom den (en luftstrøm vinkelrett på rotorskiva). - Som vinge forårsaker den en avbøy­ ning av luftstrømmen.

Framover

BAKKEEFFEKTEN OG FOR­ DELENE MED DENNE EFFEKTEN

Overgangen fra en vertikal stigning til flyging framover kalles på fagspråket «transition» eller overgangsfase. Når vi begynner å fly framover, får vi en sammenpressing av de to luftstrømmene. Som et resultat av dette opp­ står vibrasjoner, og store stresskrefter virker på bladene.

Et helikopter hovrer like over bakken. Den kinetiske ener­ gien som ble overført til luftstrømmen pa grunn av rotoren (indusert hastighet), vil ved kontakt med bakken overføres til en trykkenergi. Et unntak er der luftstrømmen blir bøyd av utover. Trykkøkningen føles på bladenes underside og fører selvfølgelig til en økning i rotorens løft Fv Vi sier at helikopteret er i bakkeeffekt («IN GROUND EFFECT, I.G.E.»).

* Se tilbake på Karlsons ulykke side 70

Løftøkningen er avhengig av avstanden h mellom rotorskiva og bakken. Hvis avstanden h = 1/3 D (D er rotordiameteren), er økningen i løft ca. 20 %. Løftøkningen avtar til omkring 10 % ved h = 1/2 D og blir ubetydelig når h = D. Vi sier at helikopteret er ute av bakkeeffekt («OUT OF GROUND EFFECT, O.G.E.»).

Virkninger av bakkeeffekten i hover

Bakkeeffekt når vi flyr framover

Når vi flyr framover, blir bakkeeffekten mindre etter som hastig­ heten framover øker. Dette skjer på grunn av at luftstrømmen bøyes lettere av når helikopteret beveger seg framover, på grunn av selve bevegelsen framover. Et eksempel: For h = 1/2 D vil en hastighet framover som tilsvarer 30 km/t, redusere løftokningen pa grunn av bakkeffekten til ca. 2 %.

I en gitt hoversituasjon blir løftet økt med ca. 10 %. Som følge av dette er den tilførte motorkraften mindre for en høvring i bakkeeffekt (I.G.E.) enn for en hovring ute av bakkeeffekt (O.G.E.). På dette grunnlaget lages såkalte I.G.E.- og O.G.E.-ytelseskurver for hovring. Av disse kurvene vil vi se at helikopterets maksimale hovringshøyde er høyere i bakkeeffekt en ute av bakkeeffekt.

Situasjonen er nok ikke så enkel som den ser ut til å være.

Spørsmål: Hvordan kan rotoren fortsatt rotere og skape et løft når den ikke blir drevet av motoren?

AUTOROTASJON ELLER HELIKOPTERFLYGING UTEN MOTOR

Vi skal nå se på autorotasjon under en vertikal gjennomsynkning og under en gjennomsynkning med glidning. Men først må vi se på to krefter:

• Autorotasjonskraften • Antiautorotasjonskraften Disse kreftene virker samtidig på hvert blad i rotorsystemet.

Dersom motoren skulle stoppe, begynner helikop­ teret å falle. Men rotoren begynner da å drives av den relative luftstrømmen som blåser nedenfra og opp gjennom den. Vi får løft nok til å bremse gjennomsynkningen og til å opprettholde kontrollen over helikopteret. Vi kan videre utføre en sikker landing ved å utnytte den energien som den roterende rotoren representerer.

Autorotasjons- og antiautorotasjonskrefter

Dersom vi dekomponerer Fn til to vektorer (en som er rettet vertikalt oppover, og en parallell og motsatt rettet relativ vind), får vi • en kraft Fs, eller løftkraft

• en kraft FA, eller framdriftskraft som er motsatt rettet i forhold til mot­ standen Fx

Påminnelse! På et roterende blad virker to krefter: - Løftet Fn (står vinkelrett på den relative vinden VR) - Motstanden Fx (er parallell med den relative vinden)

Når angrepsvinkelen er stor, har kraften Fx en betydelig helning framover, og vi ser at kraften FA blir stor. Hvis FA er større enn Fx, blir resultanten rettet framover. Dette er den kraften som vi kaller autorotasjonskraften, og som påvirker bladet slik at rotasjonen opprettholdes.

HUSK: Autorotasjons- og antiautorotasjonskraften er avhengige av bladets angrepsvinkel: • Fn stor angrepsvinkel gir en autorotasjonskraft. • Fn liten angreps­ vinkel gir en antiautorotasjonskraft.

Hvis na angrepsvinkelen avtar, rettes løftkomponenten Fn opp igjen. Vi ser at kraften FA blir mindre. Når FA < Fx, får vi en resultant R1 som er rettet bakover. Denne bakoverrettede kraften kaller vi antiautorota­ sjonskraften. Den søker å bremse bladets rotasjon.

75

Dersom angrepsvinkelen blir liten, får løftkompo­ nenten Fn en helning bakover på bladet. Kraften Fa blir da rettet bakover og virker sammen med motstanden bakover. Antiautorotasjonskraften er stor.

A uto rotasjon fra hover Variasjon i vertikalhastigheten V, Autorotasjonen er etablert. I rotorens sentrumsareal strøm­ mer luft opp gjennom rotoren. Over rotoren vil denne vertikale hastigheten avta. Luftstrømmen bøyes av ut mot rotorskivas periferi og passerer ned gjennom rotoren igjen. Vi får en nedoverrettet hastighet CVj). Variasjon av angrepsvinkelen langs et blad under autorotasj on

hastighet. Bladenes angrepsvinkel er bare avhengig av retningen på den relative vinden VR. Under en autorotasjon fra hover er gjennomsynkningen vertikal. Den relative vinden blir et resultat av bladenes tangensialhastighet (U = ojR) og hastig­ heten på den vertikale luftstrømmen gjennom rotoren (Vj).

Variasjon i tangensialhastigheten (U = ojR)

Variasjon i relativ vind VR (eller variasjon i angrepsvinkel ct) og virkningen av variasjon i tangensialhastighet U = coR

Vi betrakter en hvilken som helst seksjon av bladet og finner at U er proporsjonal med R. Hastigheten øker jevnt fra bladrota ut mot bladtippen.

jØkende hastighet med økende avstand fra rotasjonssentrum

er gitt en vridning mot en mindre stigningsvinkel på grunn av den økende hastigheten U - wR. Det vil også være med på å redusere angrepsvinkelen ytterligere i periferiarealet C.

NB! Forklaringene ovenfor forutsetter at den kollektive stigningsvinkelen har vært konstant.

79

Autorotasjons- og antiautorotasjonsområdet på rotoren

På grunn av den kontinuerlige forandringen av angrepsvinkelen fra bladrota til bladtippen kan vi dele rotoren inn i tre atskilte omrader (A, B og C).

OMRÅDE A ligger ved bladrota. Her er V] stor i forhold til tangensialhastigheten U, og angrepsvinkelen er meget stor. Dette er STEILINGSOMRÅDET, løftet er null. Motstanden er stor og motsatt rettet i forhold til rotasjonen.

Dette området dekker 1/4 av rotorens radius R.

VR

'u Steilingsområde («stall area»)

OMRÅDE B. Rundt steilingsområdet ligger et område med en høy angrepsvinkel. Det strekker seg fra R/4 til 2/3 R. Resul­ tanten R av kreftene langs VR er rettet framover og vil dra bladet i rotasjonsretningen. Dette er AUTOROTASJONSOMRÅDET. OMRÅDE C. I området langs rotorperiferien vet vi at luft­ strømmen er bøyd av nedover, og at angrepsvinkelen er liten. Resultanten R] av kreftene langs VR er rettet bakover og vil søke å bremse bladet i rotasjonsretningen. Dette er ANTIAUTOROTASJONSOMRÅDET. (I område B og C vil resul­ tanten av kraften f/ danne rotorløftet Fx under en auto­ rotasjon. )

VR

RzFa + Fx Antiautorotasjcmsområde eller drevet område

50

Rotor i likevekt

Hvert rotorblad blir i område B påvirket av en resulteren­ de autorotasjonskraft (R) som forsøker å opprettholde rotasjonen. I område A og C opptrer to resulterende antiautorotasjonskrefter (R* 1! og R'2) som forsøker å bremse opp rotasjonen. Hvis R > (RJ + R'2), vil rotorens turtall øke, og omvendt vil turtallet synke dersom R < (RJ + R'2).

R’i

• Hvis den kollektive stigningsvinkelen blir for stor, bremses rotoren opp.

*2 R

oje

- Vinkelhastighet ved likevekt

Virkningen av bladenes vridning på autorotasjonsturtallet

Bladene er vridd fra en høy stigningsvinkel inne ved rota mot en lav stignings­ vinkel ute ved tippen. Dette gir en spesiell virk­ ning på autorotasjonsturtallet.

Virkningen av den kollektive stignings­ vinkelen på autorotasjonsturtallet Bladenes angrepsvinkel, som gjør autorotasjonen mulig, er igjen avhengig av den kollektive stigningsvinkelen.

Likevekt (ojE) vil oppstå når effekten av den resulterende autorotasjonskraften og de resul­ terende antiautorotasjonskreftene opphever hverandre. Rotoren vil da rotere med en konstant hastighet. Helikopterprodusentene justerer den kollektive stignings­ vinkelen og lager bladenes vrid­ ning slik at de oppnår et autorotasjonsturtall som ligger nær det normale operasjonsturtallet.

• Hvis den kollektive stigningsvinkelen blir for liten, øker rotorens turtall.

KONKLUSJON: Det finnes en optimal kollektiv stigningsvinkel for autorotasjon. Den nedre grensen for den kollektive stigningsvinkelen beskytter rotoren mot for høye turtall og ekstreme sentri­ fugalkrefter.

Automatisk stabilisering av rotorens turtall under en autorotasjon

Hvis vinkelhastigheten w av en eller annen grunn skulle øke, øker tangentialhastigheten U = coR også. Vi ser da at angrepsvinkelen vil avta. Antiautorotasjonsområdet blir da dominerende, og turtallet vil igjen synke og stabilisere seg på likevektsturtallet.

akelhastigheten co skulle også tangentialhastigjepsvinkelen øker. Autonrådet blir dominerende xetter likevektsturtallet.

Hvis vridningen er stor, øker rotorskivas autorotasjonsområde. Dermed vil også autorotasjonsturtallet øke. Dersom vridningen er liten, vil det motsatte skje.

U= CD R Autorotasjon når vi flyr med en hastighet framover

I autorotasjonen når vi flyr med en hastighet framover, vil en ny komponent dukke opp: helikopterets hastighet framover. Denne nye faktoren forandrer ikke på det du har lært, fordi grunn­ prinsippet er det samme.

Her blir hastigheten på den relative vinden avhengig av • bladets hastighet U (U = coR)

• luftens vertikale hastighet V, • hastigheten framover v

Bladets relative hastighet UK får vi ved å se på bladets hastighet U i forhold til hastigheten framover v. Dette varierer under rotasjonen: I A og C er UK = U.

Ur = U-v

I B har UR minimumsverdien UR = U - v. I D har UR maksimumsverdien UR = U + v.

S1

Virkningen av hastighet framover (v) på VR, a og autorotasjonsområdet

i

, zFramovergående blad

På den siden der bladet er framovergående, er UR større enn U, og bladets angrepsvinkel reduse­ res. På denne siden avtar derfor

På den siden der bladet er bakovergående, er UR mindre enn U. Bladets angreps­ vinkel øker. På denne siden øker det området som gir en autorotasjonskraft.

Når angrepsvinkelen øker på den siden der bladet er bakovergående og avtar på motsatt side, vil det området som gir en autorotasjonskraft, forskyves mot den siden der bladet er bakovergående. Dette skjer på grunn av hastigheten framover.

Autorotasjonskraften er sterkest pa bakovergående blad.

Autorotasjonslanding

Helikopteret gjør en nese-opp-bevegelse

Gjennomsynkningen under en autorotasjon er relativt stor. Flygeren kan like­ vel stanse gjennomsynkningen og utføre en myk landing. Noen meter over bakken gir flygeren helikopteret en nese-opp-bevegelse (den sykliske stikka beveges bakover) for å bremse opp hastigheten framover. Dette fører til en markert økning i angrepsvinkelen på alle bladene og selvfølgelig også en økning i løftet fra rotoren. Gjennomsynkningen bremses opp, og rotorturtallet øker et kort øyeblikk. Flygeren kan nå utnytte rotorens rotasjonsenergi og omsette den i et løft ved å øke den kollektive stigningsvinkelen. (Den kollek­ tive stikka beveges oppover.) På disse siste metrene ned reduserer han gjen­ nomsynkningen slik at helikopteret gjør en myk landing. Selvfølgelig vil det løftet som blir produsert helt mot slutten av landingen, gå på bekostning av rotorturtallet (rotasjonsenergi). Under autorotasjonen drives rotoren av aerodynamiske krefter. Det oppstår derfor ikke noe reaksjonsmoment fra hovedrotoren som skal kompenseres for. Halerotoren benyttes under autorotasjonen bare til styring.

£2

BEGRENSNING AV ROTORENS TURTALL Rotorens turtall og helikopterets hastighet framover må ikke overskride den grensen der aerodynamiske forstyrrelser begynner å utvikle seg på bladene. De vil forårsake steiling, vibrasjoner og høye mekaniske belastninger. Det reverserte strømningsområdet

Når vi flyr framover, ser vi at bladets resulte­ rende relative hastighet UR er lavest for det bakovergående bladet. I posisjon B er UR = U - v. Dersom vi ser på det bakovergående bladet og nærmer oss rotasjonssentret, avtar U, mens v er konstant. I punktet I fra rotasjonssentrum er U = V (UR = O), og i rotasjonssentrum O er UR = v. Vi ser nå at mel­ lom punktene I og O er den relative hastig­ heten motsatt rettet i forhold til rotorens rotasjonsretning. Luftstrømmen er reversert og angriper bladet langs bakkanten.

e"

»

\ '

Den reverserte strømningen forårsaker turbulens og produserer et NEGATIVT LØFT. Derfor må forholdet mellom hastighetene U og v bestemmes slik at virkningen av den reverserte strømningen blir så liten som mulig.

Det reverserte strømningsområdet er tegnet som en sirkel som tangerer rotasjonssentret, og er plassert over bakovergående blad. Diameteren på det reverserte strømningsområdet CO og I) er omvendt proporsjonal med differansen U - v. Vi kan lett forstå at helikopterets framoverhastighet v er begrenset.

Andre områder som gir begrensninger

Det bakovergående bladet gir opphav til to områder med steiling (»stall»). Hva med overlydshastighet?

Område med reversert

Bladenes hastighet U må ikke komme opp mot lydens hastighet (mach 1). Vi vet at ved en hastig­ het på mach 0,8 vil kompressibilitetsproblemene begynne å dukke opp. De forårsaker en separasjon av grenselaget, og det fører til løfttap og vibrasjoner. Her er det det framovergående bladet som er problemet, fordi dets relative has­ tighet er U + v. Derfor er bladets hastighet U begrenset til omkring 250 m/s. Det er bladtippen som først oppnår denne hastigheten. Derfor blir det i dag forsket mye på hvordan bladtippen skal utformes for at vi skal kunne øke hastig­ heten U eller bygge bladet lenger.

S3

7.1 SPØRSMÅL 1

Forklar begrepet rotorens induserte hastighet.

2

Forklar strømningsforholdene i rotoren a) i hover b) under vertikal flyging oppover c) under vertikal flyging nedover, hurtig gjennomsynkning d) under vertikal flyging nedover, moderat gjennomsynkning e) under vertikal flyging nedover, sakte gjennomsynkning (gjennomsynkning med motor) f) under flyging framover

3

Forklar hva som menes med en autorotasjon.

4

a)

Diskuter ut fra egne tanker hvilke flyforhold og situasjoner som vil medføre en gjennom­ synkning med motor.

b)

Diskuter på samme måte som i spørsmål a hvilke måter flygeren kan komme seg ut av en situasjon med en gjennomsynkning med motor på.

5

Når et blad roterer, vil luftens vertikalhastighet og tangensialhastighet variere utover langs bladene. Forklar og vis med en figur hvordan luftstrømmen går gjennom rotoren under en autorotasjon på grunn av den kombinerte virkningen av variasjonen i tangensial- og vertikalhastigheten.

6

Forklar bakkeeffekten og de fordelene som denne effekten har.

7

Tegn en figur og vis med vektorer hvordan autorotasjons- og antiautorotasjonskraft oppstår på et profil.

8

Tegn rotoren under en autorotasjon og angi a) steilingsområdet b) autorotasjonsområdet c) antiautorotasjonsområdet

9

Hvilke faktorer påvirker rotorens turtall under en autorotasjon?

10

Normalt gjennomføres en autorotasjon med en hastighet framover. Hvilken innvirkning får hastigheten framover på autorotasjonsforholdene i rotoren?

11

Hvordan gjennomføres en autorotasjonslanding i praksis?

12

a) b)

04

Hvilke faktorer begrenser rotorens turtall? Hvilke faktorer begrenser et helikopters flyhastighet?

& Helikopterflyging og tilførsel av nødvendig motoreffekt Under flygingen virker tre krefter på heli­ kopteret: - Vekten G. Den angriper i tyngde­ punkt TP.

KREFTER SOM VIRKER PÅ

- Den totale luftmotstanden Fx. Fx angriper i helikopterets aerodyna­ miske senter. For å forenkle for­ klaringen lar vi det aerodynamiske sentret falle sammen med tyngde­ punktet TP. Fx er motsatt rettet i for­ hold til hastigheten framover v.

HELIKOPTERET UNDER FLYGINGEN

Flyretning

- Løftet Fx. Løftet angriper i rotorens sentrum og virker 90° på rotasjons­ planet.

Helikopterets likevekt under flygingen

For at helikopteret skal være i likevekt, må resultanten R av vekten G og motstanden Fx være like stor som og motsatt rettet i forhold til løftet Fx. Totalresultanten av de tilførte kreftene er da lik null. Denne likevektstilstanden tilsvarer en jevn hastighet i en eller annen retning. Dersom helikopteret står stille i luften (hovrer), er det fremdeles i en likevektstilstand.

Vær stille ... vaer stille, Karlson. R er lik

motsatt rettet FN: Helikopteret er i likevekt

anstrengelsene dine er snart over!

Forandring av de kreftene som virker Forandring av løftet FN (repetisjon)

• Størrelsen på Fx er avhengig av den kollekti^^tigningsvinkelerL Retningen til Fx er avhengig av den sykliske stigningsvinkelen.

Økningen i den kol­ lektive stigningsvin­ kelen resulterer i en økning i løftet Fx.

Kollektiv stikke

Forandring av motstanden F

En forandring av den sykliske stigningsvinkelen skaper en hel­ ning av løftvektoren Fx. Den heller i samme retning som den sykliske stikka beveges, og helningsvinkelen er proporsjonal med stikkebevegelsen. For en gitt kollektiv stigningsvinkel 0 vil loftet Fx - avta når høyden øker - avta når temperaturen stiger - øke når hastigheten framover øker For å opprettholde et konstant løft må vi forandre den kollektive stigningsvinkelen under de forskjellige forholdene.

Motstanden øker med kvadratet av hastighetsøkningen

Flyretning Motstanden Fx blir uttrykt ved likningen Fx = 1/2 pv- • S ■ CD. CD = motstandskoeffisienten S = tverrsnittsarealet (De er konstante verdier for en gitt flyretning.) Husk at Fx er proporsjonal med kvadratet av hastigheten v og proporsjonal med luftens tetthet p.

35

Likevekt i «teoretisk» hover

(vindstille og tyngdepunktet TP over ett med rotasjonssentret O) • Ved vindstille forhold er de kreftene som virker, løftet Fx og vekten G.

Fn Rotasjonsplanet er horisontalt

• Tyngdepunktet TP er over ett med rota­ sjonssentret O. Fx og G blir da motsatt rettede krefter som virker langs samme angrepslinje. • Flygeren justerer den kollektive stignings­ vinkelen til en verdi som gir likevekt.

HOVRING

F.\ = G • Den sykliske stikka står i nøytralposisjonen. Styreplata ligger horisontalt. Vi har derfor ingen syklisk forandring av stigningsvinkelen, og rotasjonsplanet blir liggende horisontalt.

står i nøytral (vertikalt) F, = G

Hvordan tyngdepunktets plassering virker inn på hoversituasjonen

I praksis vil tyngdepunktet ikke ligge rett under rotorens rotasjonssentrum. Det beveger seg mellom FREMRE og BAKRE tyngdepunktsbegrensning. («C.G. limit») avhengig av last og brennstofforbruk.

Vi ser at tyngdepunktet ligger foran rotorens rotasjonssentrum. Kreftene Fx og G gir et moment med virkningsarmen d. Nesen på helikopteret peker nedover. Vi sier at vi har et nese-ned-moment («nose down moment»). Hvis tyngdepunktet kommer bak rotorens rotasjonssentrum. får vi et nese-opp-moment («nose up moment»).

Dersom den sykliske stikka holdes i nøytral når helikopteret blir utsatt for et nese-opp- eller nese-ned-moment, skjer dette: Styreplata følger helikopterets helning (forblir vinkelrett på rotasjonsakslingen). Det samme gjor rotasjonsplanet og løftet Fx. Løftets horisontalkomponent TH gir oss en bevegelse i en eller annen retning.

VI har et nese-ned-moment som virker på helikopteret

For å opprettholde hover må vi derfor bringe rotasjonsplanet til­ bake til en horisontal stilling.

Dersom vi får et nese-ned-moment (rotasjons­ planet helles framover), må den sykliske stikka beveges bakover for å produsere en syklisk for­ andring av stigningsvinkelen som opphever virk­ ningen av horisontalkomponenten TH. Dersom vi får et nese-opp-moment (rotasjonsplanet helles bakover), må vi selvfølgelig kompensere ved å bevege den sykliske stikka framover.

& G). - En minskning av stigningsvinkelen fører til at Fn vil avta. Helikopteret synker gjennom (Fx < G).

Vi må merke oss at motstanden Fx, som øker med den vertikale hastigheten Vz, gir oss en likevektssituasjon (Vz = konstant). Dette er tilfellet når Fx = G + Fx (under en stigning) Fx + Fx = G (under en gjennomsynkning)

Likevekt under flyging framover

Når vi begever den sykliske stikka framover, opp­ står en syklisk forandring av stigningsvinkelen som får rotorskiva til å helle framover. (Denne helningen er proporsjonal med stikkeutslaget.)

Nå har løftet Fx to komponenter:

FLYGING FRAMOVER

- Fs, som gir et løft, og som utbalanserer vekten G - Th, som gir en trekkraft, og som utbalanserer

motstanden Fx

Helikopterets stilling i luften vil nå tilsvare den helningen vi har gitt rotorskiva. Denne stillingen er svært ubehagelig for helikoptermannskapet (og passasjerene). Helikopteret heller mer og mer framover når hastigheten framover øker. Det skjer fordi rotorskiva må få en større helning for at vi skal få en større TH. Virkningen av motstanden Fx

For å få helikopteret til å være horisontalt under flyging ved marsjfart har fabrikanten gitt rotorakslingen en helning framover i forhold til helikopterskroget. Denne helningen er på 4-5° og reduserer nese-ned-helningen med 4-5° når vi flyr ved marsjfart. Ved hover får vi da et helikopter som blir hengende med en helning på 4-5° bakover. Når skroget står i en horisontal stilling når vi flyr framover, blir motstanden mot skroget redusert.

For en gitt kollektiv og syklisk stigningsvinkel øker hastigheten framover v inntil motstanden (Fx = CD • S • l/2pv2) utbalanserer trekkraftkomponenten TH. Hastigheten holder seg deretter konstant. Dersom vi nå ønsker en høyere hastighet v, må TH økes. Motstanden øker med kvadratet av hastighetsøkningen og utbalansere den nye verdien av Th. Vi har fått en ny likevektshastighet. Vi skal også være oppmerksom på at dersom vi ønsker å holde høyden kon­ stant. må Fs alltid utbalansere G.

S7

Virkningen av en hastighet framover på løftet FN (repetisjon)

For en gitt størrelse på den kollektive stigningsvinkelen øker løftet FN når hastigheten framover øker.

Konklusjon: Den kollektive stigningsvinkelen som er nød­ vendig når vi flyr framover, er mindre enn den som trengs for å kunne hovre. Vi skal se nærmere på dette når vi behandler emnet nødvendig motorkraft under flyging. Når vi svinger, vil sentrifugal­ kraften Ft forårsake en sideglidning («side slip») dersom den ikke blir utbalansert. For å utbalansere Fc gir vi rotorskiva en sideveis helning innover i svingen.

Komponenten THY, som fram­ kommer på grunn av helning­ en, utbalanserer sentrifugal­ kraften Fc. Vi vet også at jo høyere framoverhastighet vi har, og jo mindre svingeradius vi tar, jo større helning må flygeren gi rotorskiva inn i svingen (ved å bevege den sykliske stikka inn i svingen). r MVDette fordi F, =-----c R

NØDVENDIG TILFØRSEL AV MOTOREFFEKT OG GRUNNLEGGENDE BEHOV FOR MOTOREFFEKT Hovedrotoren og halerotoren blir drevet av en motor som skaffer den nødvendige motoreffekten til flygingen. Kraftoverføringen skjer gjennom et system av drivakslinger, girbokser, reduksjonsgir, frikoplinger og girbokser som forandrer driveretningen.

KARLSON ...

Det arbeidet (W) som motoren utfører, fordeles til:

KOMMER DU? Hovedrotoren («the main rotor»): Den trekker ca. % av W

De tre nivåene for nødvendig motoreffekt (PN) og de tre grunnleggende behovene for effekt

DIFINISJONER

• TILGJENGELIG MOTOREFFEKT GAVAILABLE POWER») PD: Det er den motoreffekten som kan tas ut over hovedrotoren. I praksis er det den totale motoreffekten som blir utviklet av motorenfe), minus den delen av effekten som går med til å drive halerotoren og transmisjonssystemet.Tilgjengelig motor­ effekt ligger maksimalt på ca. 80-85 %. • NØDVENDIG MOTOREFFEKT FOR Å KUNNE FLY PN: Det er den effekten som hovedrotoren må bruke for at helikopteret skal holde seg flygende. Den nødvendige motor­ effekten henger sammen med flyforholdene, helikopterets vekt, høyde, hastighet framover og temperaturen i luften omkring. Den er begrenset av den tilgjengelige motoreffekten PD, fordi hovedrotoren ikke kan bruke mer effekt (T\) enn den får tilført (PD).

Profileffekt Pp Skrogeffekt Pf («Fuselage power»). Overvinner helikop­ terets totale motstand

(«airfoil power») Overvinner bladenes motstand

Variasjoner i maksimal motorytelse (WM) som blir utviklet av motoren (E), og tilgjengelig motoreffekt (PD)

Motorens ytelse W er avhengig av lufttettheten p. W avtar når p avtar. Lufttettheten er igjen av­ hengig av atmosfæretrykket og luftens temperatur, slik at motor­ effekten vil avta når høyden eller temperaturen øker.

NØDVENDIG MOTOREFFEKT (PN)

INDUSERT EFFEKT (P) + PROFILEFFEKT (Pp)

Den tilgjengelige motoreffekten (PD), som prosentvis er konstant i forhold til motorens ytelse W, vil selvfølgelig variere med WM.

+ SKROGEFFEKT (Pf)

Generelt uttrykk for motoreffekt

INDUSERT EFFEKT P («INDUCED POWER»)

—Bevegelse av kraftens angrepspunkt KRAFT ■ VEI P =-----------------TID

------ *-

Bevegelsens varighet

VEI ETTERSOM------ = HASTIGHET TID får vi P = KRAFT ■ HASTIGHET

Figuren illustrerer uttrykket for indusert effekt: P. = Fx ■ VF, der VF er den induserte hastigheten som blir overfort til luften på grunn av rotorens rotasjon.

89

Variasjoner i indusert effekt (P = FN • VF)

• Leddet FN i uttrykket for indusert effekt er bare avhengig av helikopterets vekt: FN = G = m • g • Leddet VF er i hovedsak avhengig av framoverhastigheten v. Vi vet at Vj = Vo + VF, som gir at VF = V, - Vo.

Dette er et generelt mønster for variasjonen i P, med hensyn til v. Vi må være oppmerksomme på at kurvene er forskjellige alt etter hvor tungt helikopteret er fm(), mj ...).

Oppstrøms uendelighet

r

For en gitt hastighet vil P, øke med vektøkningen.

Pi=Fn Vf

Vo = v (hastighet framover)

V(, er lufthastigheten ved opp­ strøms uendelighet, som igjen er lik framoverhastigheten v. Uttrykket kan da skrives VF = V] - v. Når v øker, vil VF avta. Dette fører til at den induserte effekten kan avta.

PROFILEFFEKT PF (OGSÅ KALT PASSIV EFFEKT) («AIRFOIL POWER») Dette er den motoreffekten som må til for å overvinne bladenes motstand. Uttrykket for rotorens totale motstand er lik uttrykket for motstanden på et blad.

Profil effekten (Pp) er produktet av rotorens motstand (F„) multipli­

sert med bladets rela­ tive hastighet (UF)

Fx = l/2pv2 • S • CD hvor p

= Fx • Ur

= luftens tetthet

S

= profilets projiserte areal

v

= profilets relative hastighet

= (1/2p UR2 • S ■ CD) • UR

= 1/2pUR3 • S ■ CD

CD = rotorens motstandskoeffisient

Variasjoner i profil effekten

De variable leddene i uttrykket for Pp er p. UR og C D.

Virkningen av disse leddene pa profileffekten (P ): • p: Pp må øke når høyden eller temperaturen øker. • UR: - Under hover er UR = U = QR. Dette fører til at Pp er konstant. Rotorens relative hastighet er konstant.

- Under flyging framover varierer bladenes relative hastighet med framoverhastigheten v. Men hvis vi får en økning i den relative hastigheten på det framovergående bladet, avtar den relative hastigheten på det bakovergående bladet tilsvarende, slik at en økning av framoverhastigheten ikke gir noe særlig utslag i profileffekten. • Cp varierer med løftkoeffisienten CL, slik at Pp øker sammen med Fv Dette vil si at når helikopterets vekt G = m • g øker, vil CD øke.

Fx = l/2p v2 • S • CD

Variasjon i FP i forhold til framoverhastigheten v og vekten på helikopteret

90

SKROGEFFEKT (Pf) («FU6ELAGE POWER»)

Dette er den motoreffekten som må til for å overvinne motstanden mot helikopterskroget.

Fx = 1/2 pv- • S ■ CD

Skrogeffekten blir da pro­ duktet av luftmotstanden mot helikopteret multipli­ sert med hastigheten fram­ over

hvor

P, = F, ■ v

S = helikopterets maksimale tverrsnittsareal

= 1/2 pv ■ S • CI; ■ v

Uttrykket for luftmotstanden er

Fx = 1/2 pv2 • S • CD

= 1/2 pv ■ S ■ CD

v = framoverhastighet CD =

motstandskoeffisient

Variasjon i skrogeffekten

Pf = 1/2 pv ■ S ■ Cn Leddene S og CD i uttrykket for skrogeffekten har en relativt liten innvirkning på effektforbruket på ett og samme helikopter. • p har den vanlige innvirkningen: Pf avtar når høyden eller temperaturen øker.

• Men framoverhastigheten v har en betydelig inn­ virkning. Pf varierer med kubikktallet av hastig­ heten framover (V3). Dette fører til en kraftig økning i effektforbruket selv ved en liten hastig­ hetsøkning.

Variasjon av nødvendig motoreffekt PN i forhold til

hastigheten framover v.

Den nødvendige motor­ effekten Px er summen av de tre grunnleggende effektbehovene: Pr Pp og Pf. Der­ som vi flyr i en fast høyde og med en fast tyngde på helikopteret, kan vi gjøre beregninger som danner grunnlaget for kurven ved siden av. Dersom vi for enhver hastighet framover plotter inn de gjeldende verdiene for P,, Pp og Pf og summerer dem, får vi fram en kurve for Px /nødvendig motoreffekt). Vi ser at Px avtar med hastighetsøkning­ en inntil en bestemt grense for deretter å øke kraftig. Denne økningen skyldes Pt.

VIRKNINGEN AV HELIKOPTERETS VEKT m Vi kan fastslå at det til enhver vekt på helikopteret vil foreligge en ny kurve for den nødvendige motoreffekten.

Når vekten øker, øker også behovet for motoreffekt.

91

Oppsummering av tilførsel av nøåven^\g motoreffekt jevnført med hastigheten framover - legg merke til viktige punkter I A hovrer helikopteret ute av bakkeeffekt («O.G.E. - out of ground effect»),

I B hovrer det i bakkeeffekt GI.G.E. — in ground effekt»). Vi ser at det trengs en mindre motoreffekt for å opprettholde hover i bakkeeffekt. (I.G.E.).

C kalles overgangssonen («transition zone»). Hastigheten øker, og bakkeeffekten blir mindre virkningsfull. Dersom vi ønsker å holde høyden, må vi tilføre rotoren mer effekt (kurve D). E - hastighet med et minimalt effektuttak. Effektoverskuddet er på sitt maksimale. F - hastighet med best virkningsgrad. Den bestemmes av en tangent til kurven fra O. Forholdet må være så lite som mulig. Det betyr at vi har den høyest mulige hastigheten med det lavest mulige effektforbruket.

G - høyeste hastighet. Den bestemmes av skjæringspunktet mellom kurvene PN og PD. Her er det ikke noe effektoverskudd.

HELIKOPTERETS FLYHjØYDER Høydebegrensninger

Det største problemet her er lufttettheten, som avtar gradvis etter som høyden øker. • Når lufttettheten avtar, vil den effekten som motoren kan utvikle, avta. Dermed synker vår tilgjengelige motoreffekt PD.

• I tillegg vil luftens evne til å «bære» avta gradvis når lufttett­ heten avtar. Vi må tilføre rotoren mer energi (på grunn av en økt stigningsvinkel) for å opprettholde løftet. Det betyr en økning av den induserte effekten P,. som også medfører at den nødvendige motoreffekten Px øker. • Konklusjon: Der Px-kurven skjærer Pn-kurven, får vi et punkt som vi kan kalle maksimal flyhøyde. Det er ikke noe effektoverskudd igjen, og helikopteret kan ikke stige høyere.

Maksimal flyhøyde under hover

På grunn av at effektforbruket er mindre i bakkeeffekt enn ute av bakkeeffekt, kan et helikopter hovre på størst høyde når det befinner seg i bakkeeffekt.

Z2 > Z]

92

Maksimal flyhøyde under flyging framover

Den nødvendige motoreffekten Px avtar når hastigheten framover øker. Derfor er flyhøyden under flyging framover høyere enn flyhøyden under hover ZT > Z s.

&.1 SPØRSMÅL 1

Nevn tre krefter som virker på helikopteret under flygingen.

2

Definer a) tilgjengelig motoreffekt b) nødvendig motoreffekt

3

Hvordan forandres rotorløftet når a) temperaturen stiger b) høyden øker c.) hastigheten framover øker

4

Tegn et helikopter som er i likevekt i «teoretisk» hover, og angi stillingen til a) rotasjonsplanet til hovedrotoren b) rotorakslingen c) styreplata d.) den sykliske stikka e) tyngdepunktet i forhold til rotasjonssentret

5

Helikopteret er i likevekt i hover. Vi får en tyngdepunktsforskyvning framover (nese-nedmoment). Hvilken praktisk innvirkning har denne tyngdepunktsforskyvningen på hoversituasjonen?

6

Forklar ved hjelp av en figur og vektorer hvordan vi oppnår likevekt under flygingen.

7

Hvordan virker vinden inn på hoversituasjonen?

8

Forklar ved hjelp av en figur og vektorer hvordan vi oppnår likevekt i svinger.

9

Hvordan forbrukes det arbeidet som motorene utfører i helikopteret?

10

Definer a) indusert effekt b) skrogeffekt c) profileffekt

11

Hvordan varierer «den induserte effekten» med helikopterets hastighet og tyngde?

12

Hvordan varierer «skrogeffekten» med helikopterets hastighet og tyngde?

13

Hvordan varierer «profileffekten» med helikopterets hastighet og tyngde?

14 Vis med en figur og forklar hvordan «den nødvendige motoreffekten» varierer i forhold til hastigheten framover. 15

Tegn et diagram som viser «nødvendig motoreffekt» og «tilgjengelig motoreffekt» i forhold til hastigheten framover, og definer disse punktene: a) b) c) d) e) f) g)

Hover ute av bakkeeffekt Hover i bakkeeffekt Overgangssonen Hastighet ved et minimalt effektuttak Økonomihastighet Høyeste hastighet Effektoverskuddet

16

Forklar hvilke faktorer som begrenser helikopterets flyhøyde.

17

Hvordan forandres helikopterets flyhøyde med bakkeeffekten?

18

Hvordan forandres helikopterets flyhøyde med hastigheten framover?

93

9 Helikopterkonstruksjoner FkONTROLLSTIKKA (vi kjenner den som syklisk stikke)

Hvordan kontrollerer vi et helikopter med overlappende tandemrotorer?

For å fly framover må flygeren bevege kontrollstikka framover. Det vil føre til en økning av rotorløftet på den bakre rotoren, samtidig som rotorløftet på den fremre rotoren blir mindre. Det får helikopteret til å rotere med nesen ned og bevege seg framover. Fordi kontrollområdet for en lengdeveis kontroll er stort, gir det helikopteret fremragende fartsegenskaper og ekstreme muligheter med hensyn til hvor tyngdepunktet kan plasseres. Når flygeren ønsker å bevege seg sideveis, det vil si gli til venstre eller til høyre, beveger han kontroll­ stikka i den ønskede retningen. Denne bevegelsen heller rotasjonsplanet på begge rotorene i samme retning. Det fører til at helikopteret beveger seg i samme retning som den helningen som rotorene har fått.

Rotorløftkontrollen (vi kjenner den som kollektivkontrollen)

Rotorløftkontrollen beveges oppover

Retningskontroll (pedaler)

Retningskontroll oppnås ved at vi beveger pedalene. Det fører til at rotorene får en helning. Helningen oppstår på grunn av at stigningsvinkelen på bladene forandres syklisk.

Når flygeren trår inn venstre eller høyre pedal, vil rotasjonsplanet til den fremre rotoren gis en helning i samme retning som pedalenes bevegelse. Samtidig vil rotasjonsplanet til den bakre rotoren gis en helning i motsatt retning. Resultatet er en hovrende sving rundt helikopterets vertikalakse.

94

Rotorløftet kan varieres for å produsere en stigning og en gjennomsynkning. Når rotorløftkontrollen i cockpiten beveges oppover, blir stigningsvinkelen på alle seks rotorbladene økt likt og samtidig. Dette får helikopteret til å stige som vist på figuren. Når rotorløftkontrollen beveges nedover, avtar stigningsvinkelen på alle seks rotorbladene likt og samtidig. Dette gir helikopteret en gjennomsynkning. Dersom rotorløftkontrollen settes i en mellomstilling, vil vi finne en stilling der løftet i forhold til helikopterets tyngde utbalanseres, slik at vi kan holde en bestemt høyde.

Autorotasjon

Autorotasjon er som vi vet en flysituasjon der vi ikke har tilført motorkraft. Rotorene drives bare av de rela­ tive luftstrømmene som går opp gjennom rotorene. Autorotasjon blir benyttet til å lande helikopteret sikkert ved for eksempel en motorstopp. Ved en motorstopp senkes stigningsvinkelen på bladene til den verdien som gir de beste autorotasjonsegenskapene.

Helikopteret au to rote re r

Lengdeveis syklisk trim

Trimplanene for lengdeveis syklisk trim er innebygd i helikopterets flygekontrollsystem for å gi et kompromiss mellom følgende faktorer: a) Bøymomentet på rotorenes drivakslinger b) Skrogets stilling c) Helikopterets ytelse med hensyn til en optimal hastighet e) Rotorstøy

Det automatiske trimsystemet gir muligheter for en lengdeveis syklisk helning av rotorene i forhold til flyhastigheten. Systemet justerer automatisk framoverhelningen på begge rotorene for å oppnå en meget viktig vannrett skrogstilling ved høye hastigheter.

En første trimplan ivaretar null lengdeveis flapping for å gi et minimalt bøymoment på rotorenes

NESE-NEDSTILLING

EN MINIMAL FLAPPING BAKOVER

En trimplan som produserer en større flapping framover, gir en bedre ytelse og gi skroget en mer horisontal stilling ved høye hastigheter. Både bøymomentet på rotorenes drivakslinger og rotorstøyen

FLAPPING FRAMOVER

HORISONTAL STILLING

En trimplan som gir en mer tilbaketrukket stilling av rotorene, reduserer rotorstøyen ved høye hastigheter. Men til gjengjeld øker bøymomentet på rotorenes drivakslinger kraftig, og skroget får en

EKSTREM NESENED-STILLING

Konstruksjonen er såpass komplisert aerodynamisk at i tillegg til trimplanene er det nødvendig med flere andre automatiske funksjoner for at vi skal kunne operere helikopteret.

95

KONTROLLPRINSIPP FOR ET FULLT ARTIKULERT ROTORSYSTEM Framover

Råde for å forandre stigningsvinkelen

Roterende saksforbindelse

Roterende del av styreplata

Stasjonær saksforbindelse

Kollektivkontrollen nedover

Kollektivkontrollen nedover

41

Kollektivkontrollen nedover

Stasjonær del av styreplata

Hovedgirboks

LAV STIGNINGSVINKEL

Til den stasjonære delen av styreplata er det festet tre kontrollforbindelser (servojekker) som gjennom en mikseenhet forbinder den sykliske stikka og kollektiv­ kontrollen til den stasjonære delen av styreplata. Mikseenheten gjør det mulig å overføre en syklisk og en kollektiv kontrollbevegel.se samtidig gjennom de samme kontrollforbindelsene. Enheten gjør det også mulig å mikse eller overføre en halerotorkontroll når kollektiv­ kontrollen beveges. Med dette får vi for eksempel en økt stigningsvinkel på halerotorbladene når kollektiv­ kontrollen beveges oppover. Dermed kompenseres deler av det økte reaksjonsmomentet automatisk. Andre behov for sammenkopling av kontrollbevegelser blir også mikset i denne enheten. (Elektroniske systemer kan utføre miksefunksjonen.)

På figuren til venstre er kollektivkontrollen satt i nedre stilling. Den sykliske stikka står i nøytralposisjon. Den roterende delen av styreplata står nå horisontalt i nedre stilling og kontrollerer bladene til å fly med laveste stig­ ningsvinkel.

t Framover

Eier ser vi situasjonen når kollektivkontrollen er satt i øvre stilling med den sykliske stikka i nøytralposisjon. Styreplateenheten glir oppover langs en hylse utenpå drivakselen. Fordi bladenes råder for å forandre stig­ ningsvinkelen har blitt dyttet oppover av den roterende delen av styreplata. kontrolleres bladene til å fly med en høy stigningsvinkel.

Roterende saksforbindelse

Roterende del av styreplata

Råde for å forandre stigningsvinkelen

Kollektivkontrollen oppover

Kollektivkontrollen oppover 4*

Kollektivkontrollen oppover

Stasjonær saksforbindelse

Stasjonær del av styreplata

Hovedgirboks

HM STIGNINGSVINKEL

Framover

Roterende saks­ forbindelse

Råde for å forandre stigningsvinkelen

Roterende del av styreplata Venstre sideveis kontroll

Stasjonær saksforbindelse

Hovedgirboks

Framovem/bakoverkontroll sykliske stikka bakover

4 Her beveges den

Høyre sideveis kontroll

Stasjonær del av styreplata

SYKLISK FORANDRING AV STIGNINGSVINKELEN

96

Eier ser vi at styreplateenheten har fått en helning på grunn av at den sykliske stikka er beveget rett bakover. Framover-/bakoverkontrollråden er dyttet oppover. Høyre og venstre sideveis kontrollråder forblir stillestående og danner vippeaksen for helningsbevegelsen til styreplata. Det laveste punktet på styreplata er nå rett over den stasjonære sakseforbindelsen, mens det høy­ este punktet er rett over kontrollråden for framover-Zbakoverbevegelse. Ettersom rådene for å forandre stigningsvinkelen følger styreplatas helning, vil nå bladene kontinuerlig kontrolleres til den økende/avtagende stigningsvinkelen for hver omdreining. Bladene stiger/synker (flapper) og forårsaker at rotoren flapper inn i et nytt rotasjonsplan som stemmer med stikkeposisjonen.

NOEN R0T0RK0NSTRUK9J0NER Chinook

Systemet er fullt artikulert og gir mulighet for disse bevegelsene:

- Flapping rundt den horisontale hengslepinnen - Dragging rundt den vertikale hengslepinnen - Forandring av stigningsvinkelen ved å vri den laminerte koplingsforbindelsen som holder bladet og rotorhodet sammen

Horisontal hengslepinne Superpuma

Momentarm for å for­ andre stigningsvinkelen Demper

Elastomerisk oppheng for flap, drag og for å forandre bladenes stig­ ningsvinkel

Koterende del av styreplata Ikke-roterende del av styreplata

Råde for å forandre stigningsvinkelen

Rotoren er halvstiv og gir mulighet for flapping og dragging ved hjelp av et elastomerisk oppheng. For­ andringer av stigningsvinke­ len på bladene blir også mulig ved hjelp av en elasto­ merisk opplagring.

Kontrollråder (servojekker) kontrollerer den ikke-rote­ rende delen av styreplata. Den kan beveges rett opp­ over/nedover eller gis en helning i et hvilket som helst plan. Bevegelsene overføres gjennom den roterende delen av styreplata til rådene for å forandre stigningsvinke­ len på bladene. De vil igjen overføre bevegelsen til momentarmene for å for­ andre stigningsvinkelen og videre til bladene.

For at bladenes bevegelse i draggeplanet skal dem­ pes, er dempere montert mellom bladenes opphengningsarmer og rotorhodet. Demperne vil hindre bladene i å komme i svingninger i draggeplanet med en økende amplitude (bakkeresonans). Under flyging­ en vil demperne bidra til et lavere vibrasjonsnivå.

97

Rotorsystemet har meget få opplagrede deler. Dette gir et raskere og enklere ved­ likehold. Rotorsystemet er halvstivt. Flappingen og draggingen er redusert til et minimum på grunn av at flappe- og draggeelementene er meget stive. Flappebevegelsen skjer i et elipseformet titanelement som er en del av rotorhodet. Draggebevegelsen opptas av et sirkulært titanelement (bladermets forlengelse) som er festet til rotorhodet ved hjelp av et viklet fleksibelt koplingselement. Bladermene er opplagret på flappeelementenes ytre del og har påmontert momentarmer som gjennom rådene for å forandre stigningsvinkelen kontrollerer stignings­ vinkelen på bladene.

Kontroll av Lynx rotorsystem

Rotasjonsretning

Løfteøye

Rotorhode

Støvdeksel

KOLLEKTIV KONTROLL Ved en kollektiv kontrollbevegelse opp­ over vil vi dytte spindelen oppover mens den roterer. Gjennom den rilleformede ringen og den rilleformede hylsa vil kardangleddet med armkorset pa toppen av spindelen bevege seg oppover. Armkorset vil dytte på rådene for å forandre stig­ ningsvinkelen, som igjen gjennom momentarmene vrir bladene til en større stigningsvinkel. Ved å bevege kollektiv­ kontrollen nedover vil vi på en tilsvarende mate vri bladene til en mindre .stignings­ vinkel.

Nedre del av rotorhodet er boltet til drivakslingen. alle delene på tegningen roterer sft | med drivakslingen, med unntak av det nedre til kopi ingspunktetfor kontrollrådene (A)

Råde for å for­ andre stig­ ningsvinkelen

Armkors

Låsehylse Rilleformet ring Holdering

Baerering Kardangledd

Rilleformet hylse

Spindel

Skråstilte rullelagre

Stillestående tilkoplingspunkt for tilkopling av alle kontrollråden.

For en syklisk kontroll vil punktet kunne beveges i en sirkel. For en kollektiv kontroll vil punktet kunne dyttes oppover/nedover

93

SYKLISK KONTROLL Ved en syklisk kontrollbevegelse vil det stillestående kontrollpunktet (A) kunne beveges i en sirkel mens rotorhodet og spindelen roterer. Hvis vi tenker at spinde­ len beveges i pilens retning (se pil merket 1), vil kardangleddet gjøre en slik be­ vegelse mulig. Spindelens topp med arm­ korset beveger seg motsatt. Armene på armkorset vil bevege seg og dytte/dra i radene for å forandre stigningsvinkelen slik de pilene som er merket 2. illustrerer. Når nå rotorhodet med armkors og spin­ del roterer, vil stigningsvinkelen på bladene gradvis forandres fra en liten til en stor stigningsvinkel og tilbake til en liten stigningsvinkel igjen på en omdrei­ ning. Vi har konstruert en syklisk for­ andring av stigningsvinkelen uten a matte bruke en styreplate.

EKSEMPEL PÅ INNFESTNING AV ET ROTORBLAD TIL ROTORHODET OG OPPLAGRING FOR Å

FORANDRE STIGNINGSVINKELEN (LYNX) Den viklede fleksible koplingsdelen er i ene enden festet til rotorhodet fl) og i den andre enden til bladermet 12). Når rotoren roterer, vil koplingsdelen bli utsatt for sentrifugal­ krefter på opptil 25 tonn. Under disse strekkreftene vil koplingsdelen kunne vris for å gjøre den kontinuerlige sykliske for­ andringen av stigningsvinkelen mulig.

Bladermet er opplagret på rotorhodet (1) ved hjelp av to rullelagre (3). Rommet der det viklede fleksible koplingselementet (4) er montert, og der også rullelagrene befinner seg, er fylt med olje.

Bladboltene (5) fester rotor­ bladet til bladermets forlengelsesarm og dermed til rotor­ hodet. Bladboltene holdes på plass ved hjelp av et spesial­ konstruert låseklips (6).

Lagre for å forandre stigningsvinkelen kan være konstruert ved bruk av - kule-, rulle-, eller nålelagre - elastomeriske lagre - laminerte fleksible koplingselementer - viklede fleksible koplingselementer - kombinasjoner av løsningene ovenfor

Flappe- oq draggelagre kan være konstruert ved bruk av - kule-, rulle-, eller nålelagre - elastomeriske lagre - fleksible metall- eller komposittelementer - kombinasjoner av disse løsningene

ELASTOMERISKE LAGRE Elastomeriske lagre gir store fordeler for vedlikeholdet og slitasjen. De består av limte eller vulkaniserte lag av et elastisk materiale (gummi) og metallplater, eventuelt bare et elastisk materiale mellom to metallplater eller metallhylser. Forskjellige størrelser og former benyttes alt etter hvor stor belastningen er, og hvordan den beveger seg. Nedenfor vises noen typer elastomeriske lagre. Svarte piler indikerer belastning, og hvite piler indikerer bevegelse

Ekvatorial sfærisk

Flat trykkpute

Sylinder

99

Typiske bruksområder for elastomeriske lagre i helikopterkonstruksjoner

FLEKSIBLE KOPLINGSELEMENTER Konstruksjon av et viklet fleksibelt koplingselement

Viklet klips

Festehull

Viklet klips

Festehull

Gummibelagt ståltråd viklet slik at det under en belastning er lik strekk i alle trådene

Konstruksjon av et laminert fleksibelt koplingselement

Festehull

Festehull

Tynne rustfrie stålplater side ved side

Begge koplingselementtypene opptar strekkreftene i bladet under rotasjo­ nen, samtidig som fleksibiliteten i vridningen tillater de nødvendige foran­ dringene av bladets stigningsvinkel.

DEMPERE

Draggehengsel

Vi har også snakket om dempere

Drag

Demperen står montert mellom rotor­ hodet og det bladet som det skal dempe i draggeplanet.

Typisk demperkonstruksjon (hydraulisk)

Dobbeltvirkende Sylinderen (A) er fylt med olje. Når draggebevegelsen gir en rela­ tiv bevegelse av stempelet i sylin­ deren, må oljen strømme gjennom strupningen fra ene siden av stempelet til den andre siden og omvendt. Ved kraftige draggebevegelser åpnes sikkerhets­ ventilene for å hindre for store belastninger på demperen og bladet. En demper kan også konstrueres ved hjelp av elastomerprinsippet.

STYREPLATAS OPPBYGNING

Feste for roterende saksforbindelse

100

Styreplata består av en roterende og en stasjonær del. Den roteren­ de delen drives fra rotorhodet gjennom den roterende saksforbindelsen. Den er opplagret på lagre som er montert mellom den roterende delen og den stasjonæ­ re delen. Den stasjonære delen hindres i å rotere av den stasjonæ­ re saksforbindelsen, som er festet til hovedgirboksen. Styreplata kan gis en helning i et hvilket som helst plan eller løftes opp eller senkes ned ved hjelp av kontrollråder (servojekker) som er festet til den stasjonære delen. Styre­ plata vil da i helning bevege seg rundt den sfæriske lagerkula. I høyde vil den sfæriske lagerkula gli opp/ned langs glidehylsa rundt drivakslingen. Glidehylsa er festet til topplokket på hovedgirboksen.

■ / / ■

-

£

x'

J

e

101

102

HALEROTORPLASSERINGER Avhengig av hovedrotorens rotasjonsretning vil halerotoren skyve mot halebommen eller dra i halebommen. Den kan plasseres enten på den ene siden eller på den andre siden av halefinnen. Videre ser vi at halerototoren kan plasseres i en vinkel i forhold til den normale vertikale stillingen. Denne siste løsningen benyttes ofte på helikoptre som er beregnet for militære lavflygingsoperasjoner, der vi ønsker en mindre følsomhet for tyngdepunktets plassering.

(«Pusher»)

TYPISK OPPBYGNING AV FLYGEKONTROLLER MED OVERFØRINGER Halerotorservo

Lynx

F7edalstopper

Kunstig føling sideveis

103

KRAFTOVERFØRING

Drev til generator nr. 1

Drev til gene­ rator nr. 2

Drev til hydraulikkpumpe nr. 1

H oved roto rd r i va k s I i

Frihjulsenhet Drev før fordeling av belastning Drev til hydraulikkpumpe nr. 2 Drev til hovedgirboksens oljepumpe

Motor nr. 1 med reduksjonsgirboks

Kontrollerbar frihjulsenhet

Turtellerdrev

Oljekjøler

Drivakslinger til utstyrsgirboksen

Inngangsdrev Frihjulsenhet

Inngangsaksling Rotorbrems

Halerotorgirboks

Framover Motor nr. 2 med reduksjonsgirboks

Mellomliggende girboks Motor nr. 1 gir drift inn på hovedgirboksen gjennom en kontrollerbar frihjulsenhet. Frihjulsenheten kan opereres slik at den koples fra hoved- og halerotoren og driver utstyrsgirboksen under oppstartsprosedyren. Vi får dermed produsert et hydraulisk trykk, en vekselstrøm og et smøreoljetrykk før vi lar hovedrotoren begynne å rotere. Ved start av motor nr. 2 driver motoren rett inn på hovedgirboksen, som setter hovedrotoren og halerotoren i rotasjon. Drivakslingen fra motor nr. 2, som går bak til utstyrsgirboksen, roterer nå på grunn av giringsforholdet litt raskere enn akslingen på motor nr. 1. Dermed overtar motor nr. 2 driften av hydraulikkpumpene, generatorene og oljepumpa.

Motor nr. 1 kan nå trekkes tilbake til tomgang. Frihjulsenheten opereres til drift av hovedrotoren og halerotoren. Deretter kan ytelsen til motor nr. 1 og 2 balanseres, slik at de deler jobben med å rotere hoved- og halerotoren likt mellom seg.

Driften av halerotoren foregår ved at drift tas ut fra hovedgirboksen. Gjennom akslinger overføres kraften til en mellomliggende girboks og deretter gjennom en eller flere akslinger til en halerotorgirboks som gir feste for halerotoren og driver den.

HALEROTORDRIFT Helikopterets hale vrir seg under flygingen. Derfor, og dessuten for å hindre lange vibrerende akslinger, deles halerotorakslingen opp i mange seksjoner. Driften vinkles opp halefinnen gjen­ nom en mellomliggende gir­ Aksling nr. 1 boks og overføres videre gjennom aksling opp til halerotorgirboksen og Rotorbremsskive halerotoren. DRIFT fra hovedgirboks

104

Halerotorgirboks Aksling nr. 5 / Aksling nr. 3

Aksling nr. 4

Drift til halerotor

Aksling nr. 2 Mellomliggende girboks

105

fleisene er hydraulisk drevet og kan opereres fra cockpiten eller ved hjelp av kontrollhendler i kabinen.

Hastigheten på heisvaieren er reguiert slik at vaieren går sakte de første meterne ut/inn og når det er lite vaier igjen på vaiertrommelen. Dersom vaieren under heisoperasjon skulle sette seg fast på bakken eller om bord i et skip, kan både flygeren og heisoperatøren i kabinen skyte av vaieren.

På Sea King løfter heisen ca. 300 kg. Hastigheten på vaieren kan varieres fra 0 til 200 ft/min, og lengden er ca. 250 ft.

Vær oppmerksom på! I hover vil helikopteret lades opp. Når heisvaieren nærmer seg bakken eller vannet, kan kraftige elektrostatiske ut­ ladninger forekomme. Ta derfor aldri i en heisvaier før den har berørt bakken eller vannet!

På LYNX finner vi en heis som kan svinges ut av kabinen og foldes ut i heiseposisjon. Også denne heisen er hydraulisk drevet og har tilsvarende data som heisen i Sea King.

Mange heiser er elektrisk drevet i stedet for hydraulisk.

106

UNDERHENGENPE LA5T/LASTEKR0K Lastekroken kan senkes ned fra lagringsposisjonen under skroget.

Last henges i kroken av bakke­ personell. Flygeren kan utløse kroken enten manuelt med en fotpedal eller elektrisk med en bryter på den sykliske stikka. Videre er det en manuell utløsningshendel på selve kroken. Flygeren får ved hjelp av lys i cock­ piten indikert hvilken stilling kroken står i, og om det er last i kroken. Ramma som her er vist under heli­ kopteret, gjør at vi kan bruke et spesielt oppheng som bidrar til å dempe virkningen av sleng i den underhengende lasten.

Ved lasteflyging er det meget viktig at vi bruker riktig løfteutstyr.

Vær oppmerksom på! Et helikopter i hover lades opp. Når vi nærmer oss kroken for å henge på en underhengende last, kan kraftige elektrostatiske utladninger fore­ komme. Vi må derfor alltid benytte en innretning som utlader heli­ kopteret før vi tar i det!

107

SPØRSMÅL

9.1 1

Hva skjer med rotorene på et helikopter med overlappende tandemrotorer når a) kontrollstikka beveges framover b) kontrollstikka beveges til siden

2

Hvilke ulemper gir en trimplan som skal redusere rotorstoyen ved høye hastigheter?

3

Hvordan kan vi etablere en autorotasjon med et overlappende tandemsystem?

4

Vi ønsker å fly et helikopter med overlappende tandemrotorer fort og med horisontalt skrog. Hvordan må rotorbladenes rotasjonsplan stilles inn for å få dette til?

5

Hvordan oppnår vi en retningskontroll på et overlappende tandemsystem?

6

Forklar hvilket kontrollorgan som benyttes på et helikopter med overlappende tandemrotorer når en kollektiv stigningsvinkel skal tilføres.

7

Hvilke faktorer har betydning for valget av en lengdeveis trim på et helikopter med over­ lappende tandemrotorer?

8

Hvordan kontrolleres styreplata på et helikopter med et fullt artikulert rotorsystem?

9

Forklar hva som skjer i rotorsystemet på et helikopter med et fullt artikulert rotorsystem når a) hovedrotorbladene beveges til å fly med en lav stigningsvinkel b) hovedrotorbladene beveges til å fly med en hoy stigningsvinkel c) hovedrotorbladene gis en syklisk forandring av stigningsvinkelen. slik at helikopteret flyr bakover

10

Lag a) b) c)

11

Forklar overføringssystemet for forandring av bladenes stigningsvinkel fra styreplata til bladene på Superpuma.

12

Hva er hensikten med demperen?

13

Forklar overføringssystemet for forandring av bladenes stigningsvinkel fra det stillestående tilkoplingspunktet i enden av spindelen til bladene på Lynx.

14

Hvilke deler muliggjør en flappe- og draggebevegelse på a) Chinook b.) Superpuma c) Lynx

15

Vis med en figur og forklar fire konstruksjonsprinsipper for opphengning og opplagring av bladet, slik at stigningsvinkelen kan forandres samtidig som sentrifugalkreftene opptas.

16

Forklar og vis med en figur prinsippet for hvordan demperen er festet.

17

Forklar enkelt virkemåten til en hydraulisk demper.

18

Forklar en typisk oppbygning av en styreplate.

19

Vis med en figur typiske bruksområder for elastomeriske lagre i helikoptre.

20

Vis med figur og forklar en typisk oppbygning av et hovedrotorblad.

21

Forklar enkelt hvordan stigningsvinkelen pa halerotorbladet kan forandres.

22

Vis med en figur og forklar en typisk oppbygning av et halerotorblad.

23

I hvilke stillinger kan halerotoren påmonteres helikopteret? Begrunn svarene.

24

Studer kraftoverforingen fra motorenes reduksjonsgirbokser til hovedrotoren. halerotoren og utstyrsgirboksen. Ut fra egen vurdering skal du generelt forklare hva som vil skje i kraftoverføringssystemet under en autorotasjon.

25

Forklar prinsippet for en frihjulsenhet.

26

Hva er hensikten med et nødflytesystem på et helikopter?

27

Gi noen eksempler pa montering av en redningsheis på helikopter.

28

Forklar tre måter å utløse en underhengende last på.

108

en skisse av prinsippet for innfestning av hovedrotorbladet på Chinook Superpuma Lynx

10 Helikoptervibrasjoner Vibrasjoner har vært et av hovedpro­ blemene helt siden det ble mulig å fly med rotorluftfartøyer.

Helikoptervibrasjoner er et livstidsstudium. Vi skal nøye oss med en liten kikk inn i vibrasjonsproblematikken.

FREKVENSOMRÅDER Helikoptervibrasjoner deles ofte inn i tre frekvensområder:

- Lavfrekvent - Mellomfrekvent - Høyfrekvent Det kan ofte være vanskelig å skille mellom lavfrekvente og mellomfrekvente vibrasjoner og mellom mellomfrekvente og høyfrekvente vibrasjoner. Vi velger derfor å dele betrakningen vår inn i lavfrekvente og høyfrekvente vibrasjoner.

Lavfrekvente vibrasjoner

Høyfrekvente vibrasjoner

Det er logisk å definere en vibrasjon som vi kan føle gynger eller rister oss, som en lavfrekvent vibrasjon, uavhengig av det virkelige antallet svingninger pr. sekund som vibrasjo­ nen har. Vanligvis har disse vibrasjonene opphavet sitt i hovedrotoren. De kan ha et forhold til hovedrotoren på for eksempel én svingning pr. omdreining fl : 1-vibrasjon) eller på en 5-bladet hovedrotor én svingning pr. blad pr. om­ dreining f5 : 1-vibrasjon). Bladenes flapping produserer vibrasjoner. Som vi vet, må bladene alltid flappe dersom vi ønsker å få rotoren inn i et nytt rotasjonsplan. Vi må derfor akseptere en del vibrasjoner i forbindelse med stikkebevegelser og når vi flyr i turbulent luft. Men vi må jobbe med å redusere de vibrasjonene som forårsakes av kilder som vi kan gjøre noe med. Det kan være en statisk eller dynamisk ubalanse, aerodynamiske påvirkninger, unøy­ aktige justeringer eller slitte komponenter.

Når antall svingninger blir så høyt at de bare er hørbare eller knapt kan føles som en summende dirring, kan vi definere dem som høy­ frekvente. Høyfrekvente vibrasjoner kommer som regel fra motoren eller komponentene i motoren, fra transmisjonssystemet eller fra hale­ rotoren.

En unøyaktig justering eller en feil på et blad i rotorsystemet gir en typisk 1 : 1-vibrasjon. Det skjer fordi bladet med feilen forårsaker en svingning i helikopteret pr. omdreining. På et 5-bladet eller 3-bladet helikopter forarsakes 5 : 1- og 3 : 1-vibrasjoner av at hvert blad pr. omdreining må passere halebommen og en liten del av halerotorens strømningsfelt. Dette er vibrasjonsfrekvenser som er typiske, og som alltid vil finnes med en viss amplitude i helikopteret.

Hvorfor ønsker vi å kartlegge helikoptervibrasjonene?

For de lavfrekvente vibrasjonene sin del er årsakene ganske klare. Det er slitsomt og ubehagelig å oppholde seg i et vibrasjonsmiljø, og vi for­ søker å eliminere så mange vibrasjoner som mulig. I tillegg bidrar også lavfrekvente vibrasjoner til en økt belastning og slitasje på helikopteret. De høyfrekvente vibrasjonene plager oss kanskje ikke så mye, fordi de gjerne forsvinner i det totale støybildet i helikopteret. Det er vanskelig for oss å skille mellom støy som forårsakes av vibrasjoner, og annen støy. Vi aksepterer dette lydbildet, selv om det er slitsomt å oppholde seg i en støysone. Erfarne flygere og teknikere reagerer ofte på for­ andringer i støybildet. Slike forandringer har gjerne sammenheng med feil som er i ferd med å oppstå. Dersom de får utvikle seg, kan høyfrekvente vibrasjoner gi meget store belastninger. Materialsvikt og komponentsvikt har ofte sammenheng med høyfrekvente vibrasjoner. På den annen side kan vi ved jevnlig eller kontinuerlig vibrasjonsovervåking monitorere en økning i ampli­ tuden til eventuelle vibrasjonsfrekvenser. Det vil si at dersom for eksempel et lager er i ferd med å bryte sammen, avgir det over en rela­ tivt lang periode på forhånd en økende amplitude i frekvensen sin. Dette gjør oss i stand til å sørge for et preventivt og kostnadseffektivt vedlikehold.

VIBRASJONSMÅTER Vibrasjoner kan få helikopteret til å vibrere opp og ned (vertikalt). Det kan også vibrere sideveis (lateralt).

Vertikale vibrasjoner har gjerne opphavet sitt i en rotor som sporer dårlig. Det vil si at rotorbladene flyr i forskjellige høyder i forhold til hverandre

Laterale vibrasjoner har gjerne opphavet sitt i en dårlig balansert hoved­ rotor

109

MÅLING AV VIBRASJONER Ettersom vibrasjoner er et svært viktig tema i vedlikeholdet av helikoptre, nedlegges det mye arbeid i å måle og analysere vibrasjonene. Mekanikeren ønsker å finne årsaken til vibrasjonen for å kunne eliminere vibrasjonskilden under vedlikeholdet av helikopteret. Ofte er det meget komplisert å finne årsaken, og de hjelpemidlene søm har vært tilgjengelige, har vært svært unøyaktige inntil for få år siden. Hvor vibrasjonsfritt et helikopter kunne fly, var tidligere helt avhengig av mekanikerens innsikt og erfaringsnivå. Generelt måles vibrasjonene i dag ved hjelp av en elektronisk pickup som registrerer hver gang et punkt på hovedrotoren passerer pick­ upen. Et akselerometer eller en tilsvarende innretning er montert i vertikal- og lateralplanet og i noen tilfeller også lengdeveis i helikopte­ ret for å registrere amplituden på vibrasjonene. Vi kan nå registrere amplitude, frekvens og retning i forhold til rotorens fasevinkel. Ved å plotte denne informasjonen inn i en graf (en for hovedrotoren og en for halerotoren) kan mekanikeren bestemme på hvilket rotorblad han skal legge til eller ta av vekt. Alternativt kan informasjonen mates inn i en datamaskin som gir mekanikeren en tilsvarende informasjon.

Ved å sammenlikne de frekvens- og amplitudedata som framkommer, med turtallene til akslinger og drev, kan vi få indikasjoner på slitasjenivået og om utskiftninger er nødvendige.

TILTAK MOT VIBRASJONER Bladbalansering

Bladsporing

Under produksjonen av både rotorhode og rotorblad blir vektfordelingen og plasseringen av tyngdepunktet viet stor oppmerksomhet. Komponentene lages svært nøyaktige. Når vi monterer dem på et helikopter, skal de bare ha behov for fin justeringer. Rotorblader blir for eksempel etter produksjonen fabrikkjustert ved at de blir testet mot referanseblader.

Bladenes sporing i forhold til hverandre har en stor betydning for vibrasjonsnivå­ et. Mekanikeren finjusterer bladenes stig­ ningsvinkel og trimror, slik at hvert blad følger direkte i sporet til det bladet som flyr foran.

Når rotorhodet og rotorblader blir montert på et helikopter, er det nødvendig å finjustere dem. Vibrasjonsmåleutstyr benyttes, og ut fra de data mekanikeren registrerer, foretar han i henhold til vedlikeholdshåndbøkene de nødvendige justeringene ved å legge til eller ta av vekt pa bladene. Hjelpemidler

Flere typer hjelpemidler til å registrere vibrasjoner og sjekke bladenes sporing har vært og er på markedet.

For noen ar siden ble vibrasjoner målt ved at mekanikeren folte og hørte, mens sporingen ble registrert med kost eller flagg. Kosten ble påsmurt et merkestoff og forsiktig dyttet mot undersiden eller endeflaten på de roterende bladene. Kosten merket dermed det bladet eller de bladene som nådde kosten først og indikerte hvordan bladene sporet i forhold til hverandre. Flaggmetoden innebar at bladtippene ble merket med forskjellig merkefarge. Når rotoren roterte, ble et oppspent tøystykke forsiktig dyttet mot bladtippene. Når bladene kom i kontakt med tøystikket. viste de strekene som de avtegnet, hvordan sporingen deres var i forhold til hverandre. Utviklingen har gitt oss avanserte vibrasjonsmålesystemer med akselerometre som registrerer vibrasjonens størrelse og retning, samtidig som fasevinkelen pa rotoren sammenholdes med vibrasjonsdataene. Videre har utviklingen ført til at bladsporingen kan sjekkes lettvint både på bakken og i luften. En enkel metode er å montere nummererte eller merkede refleksbrikker på bladtippene. Dersom vi nå «trigger» en stroboskoplampe hver gang rotorbladet passerer stroboskoplampa, vil refleksbrikkene avsløre hvilke blader som ikke sporer skikkelig.

Moderne utstyr for a måle/registrere sporing er bygd på laserteknologi. Vi kan da mate sporingsdataene inn i en datamaskin sammen med frekvens- og amplitudedataene fra akselerometrene. Datamaskinen gir en utskrift med forslag til hvilke justeringer som bør foretas. Disse systemene viser seg a gi svært korrekt informasjon og bidrar til en okt driftssikkerhet og et kostnadseffektivt vedlikehold. Systemene er i dag utbygd slik at de kan koples sammen med radiosendere og kontinuerlig sende vibrasjons- og sporingsdata til en over­ våkningssentral nar helikopteret flyr. Dermed kan flygingen avbrytes og en sikker landing foretas før uhellet er ute. Pa markedet er ogsa systemer som under flygingen automatisk justerer stigningsvinkelen pa bladene, slik at vi til enhver tid kan ha optimale sporingsforhold i forhold til vibrasjonsnivået.

10.1 SrøRSMÅL 1

Hva menes med lavfrekvente vibrasjoner?

2

Hva menes med høyfrekvente vibrasjoner?

3

Vilke fordeler gir en vibrasjonskontroll oss?

4

Hvilket opphav har a) vertikale vibrasjoner b) laterale vibrasjoner

5

Forklar hvordan vibrasjoner kan males.

6.

Hva er hensikten med bladbalansering?

Hvilken effekt har bladsporingen pa vibrasjonsnivået i helikopteret? 8

110

Hvilke hjelpemidler er i dag tatt i bruk for vibrasjonsovervåkning og -kontroll?

Symboler og forkortelser a() A. Bi Cni

—

C.P. Cr

cr Cl)

CL F

Fn F\Fr

Fs Ft

Fx Fy Fz TP G I.G.E O.G.E P