Teorija letenja helikopterja

Akrobatski in 3D modeli
Zaklenjeno
Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Teorija letenja helikopterja

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 13 Okt 2007, 21:33

Ker poznavanje teorije o naših mehanskih čudežih lahko le doprinese k izkušnjam in razumevanju letenja helikopterjev, sva se s Simonom odločila, da bi bilo dobro malce razsvetliti to področje.


Kljub temu da moje znanje večinoma izvira iz 1:1 merila, je velika večina lastnosti identičnih tako za male kot velike. Kolikor se bo dalo, bom skušal čim bolj jedrnato predstaviti osnovne in nekatere bolj komplicirane teme o helikopterjih. Vsak teden bom predstavil eno od 5 poglavij, če se kje zavleče pa kak teden dalj.


Vzporedno s to temo bo še tema za zelo dobrodošle popravke, komentarje in vprašanja. Prosil bi vas le, da zaradi redosleda tematike pišete le v temi za komentarje.


Teme si bodo sledile v približno takem vrstnem redu:




1. HELIKOPTER V SPLOŠNEM

1.1 Vrste

1.2 Glavni rotor

1.2.1 Glavni rotor - krmiljenje

1.3 Repni rotor



2. OSNOVE AERODINAMIKE HELIKOPTERJA

2.1 Helikopterski aeroprofili

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

2.3 Vzgon, upor, centrifugalna sila



3. DISK ROTORJA

3.1 Disk rotorja in ravnine

3.2 Translacijski vzgon

3.3 Disimetrija vzgona



4. REŽIMI LETA

4.1 Lebdenje, talni efekt

4.2 Horizontalni let

4.3 Avtorotacija in H/V diagram



5. PRAKTIČNE LASTNOSTI HELIKOPTERJEV

5.1 Obremenitve diska rotorja

5.2 Talna resonanca



Tekst in slike, z izjemo tistih, ki so navedene kot vir, so last avtorja prispevka.
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 16 Dec 2007, 13:27, skupaj popravljeno 39 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 14 Okt 2007, 09:44

1. HELIKOPTER V SPLOŠNEM


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


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


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


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


Slika
Oče sodobnega helikopterja Igor Sikorski.


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


Malo heca :D

Slika



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


Slika



Vir:
internet
sliki: internet,
zapiski izobraževanja LPE
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 16 Dec 2007, 13:26, skupaj popravljeno 9 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 14 Okt 2007, 13:01

1.1 Vrste

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

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



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

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




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

- helikopter z enojnim rotorjem

Slika


- helikopter s sistemom tandem rotorjev

Slika


- helikopter s koaksialnim sistemom rotorjev

Slika


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

SlikaSlikaSlika



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




Vir:
slike: internet
internet,
zapiski izobraževanja LPE,
seminarske naloge FS
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 16 Dec 2007, 13:26, skupaj popravljeno 8 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 14 Okt 2007, 15:38

1.2 Glavni rotor


Po zasnovi


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


Slika



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

- artikuliran (Seaking)

Slika


- nagibni (Bell 212)

Slika


- poltogi (MBB-105, Bell 412)

SlikaSlika


- togi (EC135)

Slika

Izvor slik: internet


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




Modelarski sistem glavnega rotorja



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

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


Rotorski sistem elektrohelikopterja Hurricane 550:

Slika


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




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




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


Slika



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



Slika



Primer koaksialne mehanike:

Slika



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




Vir:
internet,
seminarske naloge FS
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 04 Feb 2010, 16:57, skupaj popravljeno 17 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 14 Okt 2007, 16:38

1.2.1 Glavni rotor - krmiljenje


Vse vrste rotorjev (ne le helikopterske) se krmili preko nihajne plošče ali angleško Swash plate. Le ta omogoča pretvorbo premikov krmilnih palic iz mirujočega dela nihajne plošče na dinamični, vrteči del, od tam pa na krake kot spremembo nastavnega kota kraka.


Sledeči dve razlagi nista v celoti za modelarske variante sistemov krmiljenja s stabilizacijo, se pa tudi take zasnove pojavljanjo pri maketah helikopterjev.

Glavni rotor se krmili preko dveh komand:



Prva je kolektivna komanda, ki spremeni nastavni kot vsem krakom v sistemu za enako vrednosti. Posledično se na disku rotorja poveča ali zmanjša vzgon.


Slika





Druga je ciklična komanda, ki omogoča diferencialno spreminjanje vzgona na disku rotorja. Iz tega posledično dobimo gibanje helikopterja brez splošne izgube vzgona na disku.


Slika




Ko smo prej že ravno omenjali vse konfiguracije helikopterjev. Na spodnji tabeli je razvidno, na kakšen princip določen koncept doseže krmarljivost.



Slika





Krmiljenje - modelarski sistem glavnega rotorja



Osnovni pojem krmiljenja helikopterja je disk rotorja. Disk rotorja je krog, ki ponazarja potovanje krakov. Vedno ko se rotor vrti, vsi kraki sistema potujejo v istem disku. Če ne, imamo problem s trakiranjem krakov (eden ali več krakov ptuje višje ali nižje), ki lahko povzroča kar konkretne vibracije. Kraki ne potujejo vedno v ravnini pravokotni na gred rotorja. Dviganje in spuščanje kraka imenujemo mahanje. Omogoča ga konstrukcija ali krak sam (togi modelarski sistemi).


Mahanje kraka si lahko pogledate tudi na tem linku: Youtube



Slika

Slika



Na skici je prikazano, kako potuje krak rotorja pri ciklični komandi naprej, zaenkrat, brez stabilizacije.
Nihajna plošča se v tem primeru nagne naprej, preko mehanike se nagib naprej prenese tudi na disk rotorja.



Slika




To da se nihajna plošča nagne naprej ne pomeni vedno tudi komando naprej (disk rotorja nagnjen naprej). To kaj bo nihajna plošča povzročila disku rotorja je odvisno od mehanike in t.i konstrukcijskega zamika.



Slika



Sedaj ko vemo kako se disk rotorja premakne, poglejmo kaj s tem v bistvu spremenimo:

Ko se disk rotorja nagne npr. naprej, to povzroči spremembo smeri sile vzgona oz. sile potiska. Horizontalna komponenta, ki nastane, premakne helikopter v smer kamor se je nagnil disk rotorja.



Slika


Iz te skice vidimo, da če želimo spremeniti smer gibanja, moramo dodati več moči. Če ne naredimo tega nam ob vsaki spremembi smeri helikopter izgubi nekaj malega višine.




Stabilizacija rotorskega sistema



Vsak helikopter je po naravi nestabilen letalni stroj. Na povprečno letalo delujejo sile, ki ga povrnejo v prvotni horizontali položaj v kratkem času, helikopter pa bo veselo šel svojo pot, katero je zelo težko predvideti.


Modelarski helikopterji imajo nekaj pomoči pri krmiljenju iz stabilizacijske palice s krilci. Drugače tej palici rečemo tudi flybar. Vsaka stabilizacijska palica ima v osnovi enako funkcijo, razlikuje se le po mehaniki.

Na sliki spodaj je sistem GAUI Hurricane 550. Kar ga razlikuje od ostalih sistemov je to, da ima na komandi nastavnega kota mešalno ročico, na katero pride ukaz iz nihajne plošče in stabilizacijski popravki iz flybar-a.



Slika



Nekateri drugi sistemi (t-rex) imajo komando nastavnega kota v mešalni ročici, ki je na mehanizmu flybara in na komando nastavnega kota pride le ena ročica.


Kakorkoli že, stabilizacijska palica s krilci je nepogrešljiv mehanizem na skoraj vsakem modelarskem helikopterju. Omeniti gre še v zadnjem času pogosto omenjen sodobnejši sistem stabilizacije t.i. "Flybarless". Tak sistem preko žiroskopov, na enak način kot repni žiroskop, stabilizira helikopter v vseh oseh in mehanska stabilizacija ni več potrebna. Tako se privarčuje kako minutko letenja na račun zmanjšanega upora pri vrtenju rotorja.

Za sedaj gledamo na stabilizacijsko palico le kot element masne vztranosti, brez funkcionalnih krilc. Ko krilca zavrtimo veljajo enake zakonitosti, kot če bi zavrteli npr. kolo. Vztrajnost kolesa pri vrtenju je lahko tako močna, da zadrži svoj položaj četudi je os pripeta na verigo kot kaže spodnja skica.


Slika
Vir: internet



Kako sistem stabilizacije deluje si najbolje ogledamo na primeru motnje. Torej, lebdimo, nakar pride sunek vetra in nam premakne helikopter iz horizontalne lege.



Slika



Stabilizacijska palica torej prepreči najhitrejše gibe helikopterja s tem, da jim zmanjša nastavni kot na krakih v nasprotni smeri motnje, ki je vplivala na pozicijo helikopterja.


Sedaj poglejmo še funkcijo krilc. Krilca na stabilizacijski palici imajo zelo podobno funkcijo kot krak sam, le da so omejena v smeri prehitevanja/zaostajanja. Prav tako kot kraka, ima svoj položaj na nihajni plošči, svoj konstrukcijsi zamik in svojo funkcijo v disku rotorja.



Slika



Krilce na stabilizacijski palici naredi helikopter kljub ogromni masni vztrajnosti palice, zelo okreten. Nihajna plošča premika krilca in palico v enake pozicije kot krake. Pravzaprav bi lahko rekli da imajo enako funkcijo kot če bi imeli 4 kraki rotor.



Vir:
seminarska naloga FS,
sam
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 29 Nov 2007, 18:02, skupaj popravljeno 19 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 14 Okt 2007, 17:40

1.3 Repni rotor



Repni rotor ima dve vlogi. Prva je zagotavljanje kontrole okrog navpične osi, druga pa je kontriranje momenta gnanega glavnega rotorja, ki teži k vrtenju trupa v nasprotno smer glavnemu rotorju. Za razliko od glavnega rotorja, repni rotor na krake deluje le kolektivno.




Funkcija repnega rotorja



Repni rotor, kot povedano, je anti torque pripomoček, ki preprečuje vrtenje trupu. Trup je platforma vrtenju glavnega rotorja, zatorej če se vrti eden, se mora drugi v drugo smer, da je rezultat momentov v ravnotežju.


Kot vidimo iz spodnje skice, smer vrtenja kraka v smeri urinega kazalca povzroči vrtenje trupa kontra smeri urinega kazalca. Repni rotor pa kontrira temu vrtenju in sistem je v ravnotežju.



Slika




Pri repnih rotorjih, kjer je element potiska krak rotorja oz. lopatica, mora biti smer vrtenja vedno v zračni tok glavnega rotorja. Tako se relativni zračni tok preko profila repne lopatice poveča, s tem se poveča tudi potisk repnega rotorja.



Slika




Repni rotor lahko v določenih režimih vzame tudi 15-30% skupne moči motorja.




Tipi repnih rotorjev


S časom smo dobili tri glavne vrste t.i. anti-torque sistemov. Prvi propelerski tip je na helikopterji že od vsega začetka, drugi Fenestron so razvili Francozi, tretjega NOTAR pa Američani predvsem zaradi večje varnosti pri gibanju okrog helikopterja in pri manevriranju pri tleh.




Propelerski tip: (Agusta Bell 212)



Slika



+++ dober izkoristek tudi na večjih višinah
++ relativno enostavna konstrukcija
- - - zaradi izpostavljenega položaja nevaren za talne operacije
- - - visok nivo hrupa




Fenestron - kanaliziran propeler: (EC135)



Slika



++ kaskadni efekt med seboj zamaknjenih lopatic poveča skupni izkoristek
+++ manj motenj pri sunkih vetra zaradi večjih hitrosti pretoka
+++ manjši nivo hrupa
++ povečana varnost zemeljskih operacij
- - manj primeren za operacije na večjih višinah
- - velike in debele repne površine povečajo upor




NOTAR - NO Tail Rotor (MD Explorer)



Slika



+++ med horizontalnim letom je zaradi krmarljivih repnih površin sistem praktično izključen kar doprinese k manjši porabi in večjemu doletu
+++ manjši nivo hrupa
- - iztekajoči plini lahko zanetijo požar na travnatih površinah
- - direkten vpliv na vzdolžen položaj helikopterja
- - - potrebuje relativno visok delež moči



Vsi helikopterji pa ne potrebujejo repnega rotorja. Če se rotor poganja na krakih samih (Tip Jet rotor), potem ni nobenega momenta ki bi se prenašal na trup sam, razen nekaj malega trenja v ležaju glavnega rotorja. Krmiljenje okrog navpične osi doseže z obračanjem krilc v zračnem toku rotorja.
Taka zasnova se vse do danes ni obnesla predvsem zaradi kratkega časa delovanja pogonskega sklopa in relativno zahtevne in nepraktične konstrukcije, predvsem rotorja. Reaktivni motorji so pa tudi precej hrupni.



Slika
Hiller Hornet Tip Jet rotor. (Vir: Wikipedia)




Vir:
interent,
osebni album,
zapiski izobraževanja LPE
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 20 Jan 2008, 11:21, skupaj popravljeno 10 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 20 Okt 2007, 16:43

2. OSNOVE AERODINAMIKE HELIKOPTERJA

2.1 Helikopterski aeroprofili


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

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

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


Slika




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



Slika



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

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

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



Vir:
zasebna foto zbirka,
sam
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 29 Nov 2007, 08:18, skupaj popravljeno 9 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 20 Okt 2007, 16:43

2.2 Relativni zračni tok


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


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


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



Slika



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



Slika




Vir: sam
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 01 Nov 2007, 17:59, skupaj popravljeno 6 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 12 Nov 2007, 22:45

2.3 Vzgon, upor, centrifugalna sila


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



V splošnem dinamični vzgon lahko predstavita dve enostavni teoriji:



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


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


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



Slika




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

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


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




Poenostavljen popis kotov in sil na profilu



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



Slika



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



Slika




Vzgon na celotnem kraku


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


Slika



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



Slika



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

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


Slika





Upor



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


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

- profilni upor
- induciran upor
- parazitni upor



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



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


Slika



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



Slika



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



Slika





Centrifugalna sila



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



Slika



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



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


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


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


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

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




Vir:
Shawn Coyle, The Art and Science of Flying Helicopters,
Bojan Kraut, Strojniški priročnik
zapiski predavanj FS,
sam
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 31 Jan 2009, 15:40, skupaj popravljeno 1 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 18 Nov 2007, 11:51

3. DISK ROTORJA



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


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


Slika




3.1 DISK ROTORJA IN RAVNINE



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




Slika




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



Označevanje glede na položaj kraka:

Slika




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

Slika



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



Slika




Vir:
Shawn Coyle: Art And Science Of Flying Helicopters
zapiski predavanj FS
sam

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 18 Nov 2007, 14:47

3.2 TRANSLACIJSKI VZGON



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


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



Slika



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



Srednja hitrost zračnega toka skozi rotor modela helikopterja:

Slika





V translacijo!


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



Slika



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



Slika



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



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



Slika



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



Slika Slika





Dejanski downwash:

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



Slika




Vir:
zapiski predavanj FS
sam
www.dynamicflight.com (vzorec slik)
Zadnjič spremenil Phoinix, dne 16 Dec 2007, 14:10, skupaj popravljeno 4 krat.

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 25 Nov 2007, 22:03

3.3 DISIMETRIJA VZGONA



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



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

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



Slika




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


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



Slika



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




Vir:
zapiski predavanj FS,
Shawn Coyle - Art And Science of Flying Helicopters

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 29 Nov 2007, 21:03

4. REŽIMI LETA


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



Slika




4.1 LEBDENJE, TALNI EFEKT



V svetu takšnih in drugačnih helikopterjev poznamo dve vrsti lebdenja:

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



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



Slika




Lebdenje v talnem efektu:


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


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

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



Slika


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



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

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



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



Zakaj helikopter visi v lebdenju?


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

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


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



Slika



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



Slika



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


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




4.2 HORIZONTALNI LET



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



3.2 TRANSLACIJSKI VZGON

3.3 DISIMETRIJA VZGONA




Vir:
sam

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 02 Dec 2007, 20:25

4.3 AVTOROTACIJA in H/V DIAGRAM



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


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



Slika



Čarovnija avtorotacije


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

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



Slika



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



Slika



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



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



Slika



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




H/V diagram



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


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



Slika



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



Slika



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



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



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



Postopek:

Izguba moči motorja

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

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



Slika



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



Slika



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



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



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



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




Vir:
sam
zapiski predavanj na FS

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 12 Dec 2007, 15:03

5. PRAKTIČNE LASTNOSTI HELIKOPTERJEV


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



5.1 OBREMENITVE DISKA ROTORJA


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



Slika



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


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


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



Slika


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



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


Slika


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




HELIKOPTER V ZAVOJU


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

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



Slika



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

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

Posledično se podvoji tudi vrednost obremenitve diska!



Slika



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



Vir:
sam

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 14 Dec 2007, 23:31

5.2 TALNA RESONANCA


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

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



Osnove


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


Slika


Slika


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



Slika


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


Slika



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


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



Slika



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



Slika




Kako preprečiti resonanco na tleh?


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

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

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


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

posnetek od zadaj

posnetek iz strani




Resonanca v zraku



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

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


Slika


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

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



Slika



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


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




Vir:
Sam
Teorija Leta Helikoptera, RV i PVO-227, 1972
Shawn Coyle, Art And Science Of Flying Helicopters
Sliki: Wikipedia

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Repni kraki z utežjo

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 03 Feb 2009, 22:41

Zaradi zanimanja modelarjev bom nekoliko dopolnil temo z novim poglavjem o repnih krakih z utežmi.


Repni kraki z utežjo


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

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


Slika

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

Podobna priprava je na voljo tudi za modelarske helikopterje.


Slika



Kako pa taki kraki delujejo si pogledamo na spodnji skici:


Slika


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

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


Komentarji v temo Teorija letenja helikopterja - KOMENTARJI

Phoinix
Dr. Modelar
Prispevkov: 3995
Pridružen: 27 Okt 2005, 21:19

Re: Teorija letenja helikopterja

Odgovor Napisal/-a Phoinix » 28 Jun 2012, 14:05

Spletni dostop do datoteke: https://www.dropbox.com/sh/dilj838rei8m ... modeli.pdf

Prezentacija, z izjemo nekaterih slik, je last avtorja in se kot taka brez njegove vednosti ne tiska ali uporablja za javna ali komercialna predavanja.


Upam da dela.

Zaklenjeno

Vrni se na