علم باور نکردنی در مورد نحوه‌ی پرواز هلیکوپتر

هلیکوپتر یک موفقیت مهندسی شگفت آور است و جزو بهترین دستاوردهای قرن بیستم به شمار می‌رود.
آیا می‌دانستید؟
شناور و معلق ماندن با وجود آسانی ظاهری، جزو دشوارترین مانورهایی است که توسط هلیکوپتر انجام می‌شود.
هلیکوپترها با چرخاندن تیغه‌ها که به عنوان روتور شناخته می‌شود، رانده می‌شوند. این امر آنها را از هواپیماهای بال ثابت نظیر موتور جت و یا میکرو نور متمایز می‌کند.
همه‌ی هواپیماها با یک اصل مشابه، هوابرد هستند. وقتی نوک جلویی باله بلند می‌شود به هوایی که در بالای آن در جریان است نیرو وارد می‌کند تا سریع‌تر از هوای زیرین آن، حرکت کند. این یعنی این که در هر لحظه از زمان، هوای کمتری در بالای باله نسبت به زیر آن وجود دارد. این عدم تعادل موجب بلند شدن می‌شود و گویی هواپیما را به بالا می‌کشد. هواپیمای بال ثابت به خاطر نیروی پروازی که توسط هوای بالای بال‌ها ایجاد می‌شود، پرواز می‌کند. این کار نیازمند حرکت هوا (همانند گلایدرها) و یا شکلی از نیروی محرکه است.
در مقایسه، هواپیمای بال چرخان نیروی موتور خود را با حرکت بال‌ها در خلاف جهت هوا تولید می‌کند. روتورهای هلیکوپتر دقیقاً همان وظیفه‌ی بال‌های هواپیما را انجام می‌دهند به جز این که بال‌های هواپیما به نیروی موتور نیاز دارند تا حرکت رو به جلو را انجام دهند. گلایدرها که موتور ندارند، باید ارتفاع خود را کم کنند تا به سمت جلو حرکت کنند (که این کار را با پایین آوردن ملخ خود انجام می‌دهند). از طرف دیگر، موتور هلیکوپتر به روتور نیرو هم می‌دهد و فقط نیروی موتور را تأمین نمی‌کند. مقدار نیروی موتور کمی که از خروجی بخار موتور به دست می‌آید، در طرح بزرگ‌تر قابل چشم پوشی است.
توانایی تولید نیروی پرواز خود، مزیت آشکاری به هلیکوپتر نسبت به هواپیمای بال ثابت می‌دهد. هلیکوپترها می‌توانند به طور عمودی هم بلند شوند و هم فرود بیایند (با این که یک گروه انحصاری از هواپیماها نیز همین کار را انجام می‌دهند)، قادر هستند وسط هوا معلق و شناور بمانند و اگر فضای کمی باشد مانور پذیرتر هستند.
اما این موضوع باعث شده است که کنترل هلیکوپتر نسبت به هواپیما به مهارت بیشتری نیاز داشته باشد. شکل اصلی هواپیماها ذاتاً به آنها اجازه می‌دهد که مسافت قابل توجهی را بدون نیروی موتور پرواز کنند حتی اگر خلبانی و نیروی محرکه متوقف شود. اما طبیعت انعطاف پذیر و فعال هلیکوپتر به این معنا است که برای پرواز بدون نیروی موتور طراحی نشده است. آن باید بدون هیچ کمکی از قوانین فیزیک، دائماً هوابرد نگه داشته شود. خلبانان باید به طور مداوم نیروی محرکه‌ی هلیکوپتر را حتی در حالت معلق و شناور، تغذیه کنند. مکانیزم گردان و چرخشی نیز بالاترین سرعت هلیکوپتر را محدود می‌کند و آنها را ذاتاً کند‌تر از هواپیمای بال ثابت می‌سازد.
بنابراین هلیکوپترها دقیقاً چگونه پرواز می‌کنند و از همه مهم‌تر هلیکوپترها چگونه هدایت می‌شوند؟
هلیکوپترها با ترکیبی از سه کنترل هدایت می‌شوند :
نحوه‌‌ی کارکرد هلیکوپتر :
تجمعی :
این کنترل، زاویه‌ی برخورد تمام تیغه‌های روتور (AOA) را به طور جمعی کنترل می‌کند به همین دلیل این نام را گرفته است. AOA زاویه‌ای است که بین بالاترین و پایین‌ترین تیغه نسبت به صفحه‌ی فرضی پایه‌ی آن تشکیل می‌شود.
وقتی زاویه‌ی برخورد افزایش می‌یابد، هوایی که روی بالاترین تیغه جریان دارد، باید سریع‌تر جریان یابد و حرکت کند تا موجب بلند شدن شود. بر عکس به هنگام فرود، زاویه‌ی برخورد باید کاهش یابد تا هلیکوپتر فرود بیاید.
تجمعی در سمت چپ خلبان و در پایین صندلی او قرار گرفته است. آن اغلب با یک دستگیره همانند دستگیره‌ی موتور گازی همراه است که به پهلوها چرخانده می‌شود تا زاویه‌ی برخورد افزایش و یا کاهش یابد.
وقتی زاویه‌ی برخورد افزایش می‌یابد، مقاومت هوایی روتورها نیز افزایش می‌یابد. در مقابل این، دور گردش در دقیقه‌ی موتور باید افزایش یابد تا دور گردش در دقیقه‌ی روتور ثابت بماند. در نتیجه، دریچه‌ی گاز با یک اهرم تجمعی همراه است و یا یک جزء تشکیل دهنده‌ به نام پروانه در هلیکوپتر قرار داده شده است. پروانه به طور اتوماتیک دور گردش در دقیقه‌ی موتور را هر وقت که زاویه‌ی برخورد تغییر می‌کند، تغییر می‌دهد و دور گردش در دقیقه‌ی روتور را ثابت نگه می‌دارد.
چرخه‌ای :
چرخه‌ای جهت هلیکوپتر را کنترل می‌کند. آن کنترل چرخه‌ای نامیده می‌شود چون زاویه‌ی هر تیغه را به طور چرخه‌ای تغییر می‌دهد. سیستم چرخه‌ای به جای بلند کردن یک تیغه‌ی تنها، بلندی نقاط ویژه‌ای در بخش چرخان صفحات لغزنده را تغییر می‌دهد. این امر موجب می‌شود که دیسک روتور (بخش چرخان صفحه‌ی لغزنده) به سمت جهت ویژه‌ای متمایل و کج شود.
این سبب اثر ایرو دینامیک مشابه نیروی پرواز می‌شود و تنها عنصر اضافه شده، جهت جانبی و افقی است. این کنترل، هلیکوپتر را به آن جهت می‌راند.
کنترل چرخه‌ای اغلب به شکل فرمان هواپیما، در جلوی صندلی راننده و یا بین خلبان و کمک خلبان یافت می‌شود. همانند تمام فرمان‌های دیگر، جهت فرمان هواپیما متناظر با اثر آن است مثلاً اگر کنترل چرخه‌ای به سمت چپ چرخانده شود، دیسک روتور نیز به سمت چپ متمایل می‌شود و هلیکوپتر به سمت چپ می‌رود.
پدال‌های ضد چرخش :
طبق قانون سوم نیوتن – هر عملی را عکس العملی است مساوی با آن و در خلاف جهت – چرخش روتور اصلی موجب می‌شود که بقیه‌ی هلیکوپتر نیز به جهت مخالف بچرخد. این به عنوان واکنش گشتاوری و چرخشی شناخته می‌شود. روتور پشتی در هلیکوپتر با این اثر مقابله می‌کند و هلیکوپتر را در خط راست نگه می‌دارد. روتور پشتی را می‌توان به عنوان سکان هلیکوپتر به کار برد.
دو پدال ضد چرخش که در زیر پاهای خلبان قرار گرفته‌اند، درجه‌ی دیسک روتور پشتی را کنترل می‌کنند. وقتی پدال راست فشار داده می‌شود دیسک روتور پشتی به سمت راست متمایل می‌شود و ملخ هلیکوپتر نیز به سمت راست می‌چرخد و بر عکس. این فقط نشان می‌دهد که چگونه روتور اصلی، نیروی پرواز را فقط از پهلو تولید می‌کند. این پدال‌ها برای ایجاد انحراف و چرخش هلیکوپتر به کار می‌روند. اگر پدالهای ضد چرخش حین معلق و شناور ماندن به کار روند، به هلیکوپتر اجازه می‌دهند که 360 درجه‌ی کامل بچرخد.
معلق و شناور ماندن :
این چیزی است که هلیکوپترها را بهتر از هر چیز دیگری تعریف می‌کند. ایستاده نگه داشتن هلیکوپتر در هوا ممکن است آسان به نظر ‌برسد اما در واقعیت یکی از چالش برانگیزترین کارهایی است که خلبان باید انجام دهد.
برای معلق و شناور ماندن، خلبان باید ابتدا هر حرکت جهتی را با آوردن کنترل چرخه‌ای به وسط، متوقف کند. سپس او باید اهرم تجمعی را در ارتفاع مورد نیاز ثابت نگه دارد و تنظیمات لازم را در پدال‌های انحرافی انجام دهد تا موقعیت دقیق را با توجه به سه محور حفظ کند.
هلیکوپترها برای خاموش کردن آتش سوزی‌های جنگل‌ها، در کارهای نجات و البته نیروهای ارتش به کار می‌روند. آنها تجهیزات شهری و نظامی حیاتی در تمام دنیا هستند و با ویژگی‌های شدیداً مفید خود، واقعاً یک شگفتی هستند.