بخش هاي اصلي ساختمان هلي کوپتر
در اين بخش به اصول اوليه و کلي مکانيک پرواز و آيروديناميک هلي کوپترها خواهيم پرداخت.
ابتدا لازم است اجزاي اصلي هلي کوپترهاي متعارف را بشناسيم که به شرح ذيل هستند:
سازه بدنه (Body or Fuselage)
روتور اصلي (Engine)
روتور دم (Main Rotor)
ارابه فرود (Landing Gear)
اصول پرواز و کنترل هلي کوپتر
(Helicopter theory & control)
در هلي کوپترها سطح متحرک کنترلي مانند هواپيما وجود ندارد. لازم به يادآوري است براي هدايت هواپيما سه سطح کنترلي اصلي وجود دارد که آن را حول سه محور عمودي، افقي و طولي مي چرخاند. اين سطوح عبارتند از:
Aileron: جهت چرخش هواپيما حول محور طولي و ايجاد حرکت Roll
Elevator: جهت چرخش هواپيما حول محور عرضي و ايجاد حرکت Pitch
Rudder: جهت چرخش هواپيما حول محور عمودي و ايجاد حرکت Yaw
اما در هلي کوپتر دو حرکت Roll و Pitch توسط ملخ هاي اصلي و حرکت Yaw توسط پروانه دم ايجاد و کنترل مي شود. براي دانستن چگونگي انجام اين حرکات لازم است به مفاهيم زير توجه نماييد.
گام ملخ (Blade Pitch)
تعريف گام در هواپيما و هلي کوپتر کمي متفاوت است. به اين صورت که در ملخ هاي هواپيماها (Propeller) به اندازه جابه جايي مرکز ملخ در يک دور چرخش کامل (در تئوري)، گام يا Pitch اطلاق مي شود. يعني در حالتي که فرض کنيم ملخ در يک محيط جامد همانند پيچي که در چوب پيچ مي شود، يک دور بچرخد. اما تعريف گام در ملخ هاي هلي کوپتر Rotor Blades به گونه ديگري است. به زاويه وتر ايروفويل نسبت به افق (يا صفحه چرخش ملخ)، گام ملخ هلي کوپتر اطلاق مي شود که بر حسب درجه محاسبه مي گردد.
گام کلّي (Collective pitch)
و گام موضعي (Cyclic pitch)
مکانيزم روتور به گونه اي طراحي شده است که مي توان گام ملخ ها را به دو گونه کلّي و موضعي افزايش يا کاهش داد.
به افزايش و کاهش گام کلّي يا يکسان، کالکتيو (Collective) گويند که منجر به افزايش و کاهش نيروي برا در تمام نقاط صفحه چرخش ملخ به طور يکسان مي گردد. همچنين افزايش و کاهش گام به صورت موضعي، سايکليک (Cyclic) گفته مي شود. در اين حالت ملخ ها در عبور از يک منطقه از صفحه چرخش بيشترين گام و هنگام عبور از منطقه مخالف کمترين مقدار گام را خواهد داشت. به عبارتي گام ملخ ها در طول چرخش همواره در حال تغيير است. اين حالت باعث مي شود در صفحه چرخش ملخ، نيروي «برا»ي نامتقارن به وجود آيد و هلي کوپتر را حول محور عرضي يا طولي و يا ترکيبي از آن ها بچرخاند. بنابراين حرکات Pitch و Roll در هلي کوپتر توسط تغيير گام موضعي ملخ ها ايجاد مي شود.
نحوه اعمال فرامين کالکتيو و سايکليک و مکانيزم سواش پليت (Swash plate)
وظيفه اعمال فرامين کالکتيو و سايکليک بر عهده قطعه اي به نام سواش پليت (Swash plate) است. ظاهر اين قطعه ساده اما کارکرد آن کمي پيچيده بوده و بهتر است در حد امکان نمونه اي از آن را به دقت ببينيد. سواش پليت داراي دو قسمت به هم پيوسته (مانند سنگ آسياب) است که پس از نصب، قسمت پاييني آن ثابت و قسمت بالايي آن متحرک خواهد بود. سمت ثابت اين قطعه به وسيله 3 يا 4 ميله رابط به محرّک ها متصل شده و سمت متحرک آن به وسيله ميله هاي رابط به اهرم هاي کنترل کننده گام ملخ اصلي متصل مي شود که همراه با ملخ ها مي چرخد. در واقع سواش پليت رابطي است که فرامين اعمال شده از طرف محرّک ها که ثابت هستند را به ملخ ها که در حال چرخش هستند، منتقل مي کند. بالا و پايين رفتن سواش پليت باعث افزايش و کاهش گام کلي يا کالکتيو و کج شدن آن منجر به اعمال فرامين سايکليک (pitch, Roll و ترکيب آن ها) مي شود. اين حرکات سواش پليت به وسيله سه و يا چهار ميله محرک (Push Rod) کنترل مي شود. در هلي کوپترها راديوکنترل از سروو موتور (Serve Motor) به عنوان محرّک استفاده شده و در اغلب آن ها از سه سروو، يکي براي حرکت Pitch، يکي براي حرکت Roll و يکي براي کالکتيو جهت کنترل سواش پليت استفاده مي شود. اما برخي از آن ها از سه و يا چهار سروو براي کنترل سايکليک و کالکتيو به صورت ترکيبي استفاده مي کنند که توضيح بيشتر آن در بخش تنظيمات نرم افزاري راديوکنترل خواهيم گفت.
انواع مکانيزم روتور اصلي (Main Rotor Mechanism)
به طور متعارف در اغلب هلي کوپترها از يک روتور يا چرخنده اصلي با 2 تا 8 پره براي توليد نيروي «برا» استفاده مي شود. اما برخي از هلي کوپترها از مکانيزم هاي ديگري در روتور اصلي خود استفاده مي نمايند که عبارتند از:
مکانيزم روتورهاي هم محور (Coaxial)
در اين روش ملخ ها گشتاور يکديگر را خنثي کرده و در نتيجه نيازي به روتور دم نيست. اين روش در هلي کوپترهاي روسيِ کاموف بسيار رايج است.
مکانيزم روتورهاي داخلي پهلو به پهلو (Side By Side)
در اين حالت محورهاي دو روتور با يکديگر زاويه هفتي ساخته و پره ها با نظم دقيقي از داخل يکديگر عبور مي کنند. در اين حالت نيز ملخ ها گشتاور يکديگر را خنثي کرده و نيازي به روتور دم نيست. اين روش توسط شرکت کي مان در هلي کوپترهاي K-Max به کار گرفته شده است.
مکانيزم روتورهاي پشت سر هم (Tondem)
در اين روش يک روتور در ابتداي بدنه و يک روتور در انتهاي بدنه قرار دارد که در جهت خلاف يکديگر دوران مي کنند. مانند هلي کوپترهاي شينوک CH-47.
مکانيزم چند روتوره (Multi Rotor)
در اين حالت از 3 تا 8 روتور روي محيط دايره قرار مي گيرد که بيشتر در روبات هاي پرنده کاربرد دارد.
انواع مکانيزم کنترل چرخش حول محور عمودي (Yawing Mechanism)
تاکنون چهار نوع سيستم براي اعمال گشتاور حول محور عمودي براي مقابله با گشتاور ملخ هاي اصلي و کنترل دوم روي هلي کوپترهاي عملياتي اجرا شده است:
الف) ملخ دم متعارف (Conventional Tall Rotor) که در اغلب هلي کوپترها مورد استفاده قرار گرفته و شامل روتور دم دو يا چند پره است.
ب) سيستم فِنِسترون (Fenestron) که در روتور دم به جاي پره از فن چند تيغه استفاده مي شود.
ج) سيستم بدون روتور دم يا NOTOR که در هلي کوپترهاي MD600، MD520 و MDExplorer ساخت شرکت مک دانل داگلاس به کار رفته است. در اين سيستم گشتاور ملخ هاي اصلي به واسطه شکاف ايجاد شده در يک طرف دم و خروج اجباري جريان هوا که از داخل استوانه دم عبور مي کند، خنثي مي شود. اين جريان با هواي رو به پايين ايجاد شده توسط ملخ هاي اصلي ترکيب شده و نهايتاً فشار هواي يک طرف استوانه دم کاهش مي يابد. بنابراين نيرويي ايجاد مي شود که گشتاور ملخ اصلي را خنثي مي کند. در اين مکانيزم براي کنترل جهت دماغه از دريچه متحرکي استفاده مي شود که جريان عبوري از داخل استوانه دم را به طرفين منحرف و نيرو ايجاد مي کند. همان طور که در تصوير مي بينيد هواي داخل استوانه دُم به واسطه يک فن که از موتور نيروي مي گيرد به جريان مي افتد.
د) سيستم کنترل با گشتاور تفاضلي Differential Torque Yawing؛ در هلي کوپترهايي که داراي روتور اصلي هم محور (Coaxial) و پهلو به پهلو (Side By Side) هستند کاربرد دارد. چون در آن ها گشتاور ملخ هاي اصلي يکديگر را خنثي کرده و نيازي به روتور دم نيست. در اين هلي کوپترهاي تغيير جهت دماغه در پرواز ايستا به واسطه اختلاف گام کلي دو روتور اصلي و ايجاد گشتاور تفاضلي، و در پرواز رو به جلو به واسطه انحراف را در (Rudder) که در انتهاي دم وجود دارد، کنترل مي شود.
پرواز ايستا يا هاور (Hover)، بارزترين ويژگي دو وجه تمايز هلي کوپتر نسبت به وسائل پرنده ديگر است. اين حالت پروازي از چند جنبه قابل بررسي است و ما در اين مبحث به مسائل کلي مکانيک پرواز و آيروديناميک آن خواهيم پرداخت. ابتدا در مورد تعامل يا بالانس نيروها روي هلي کوپتر در هنگام پرواز ايستا در جهات مختلف و سپس چگونگي انجام پرواز مستقيم الخط و گردش و تغيير ارتفاع بحث خواهيم کرد. منظور از پرواز ايستا، پروازِ هل کوپتر در ارتفاع ثابت با سرعت صفر نسبت به زمين است. همان طور که در تصوير مي بينيد تنها نيروي رو به پايينِ وارد بر هلي کوپتر، نيروي جاذبه بوده و براي خنثي کردن اين نيرو، بايد نيرويي به همان اندازه اما در خلاف جهت آن ايجاد شود که نيروي «برا» Lift) ناميده مي شود. در شرايط ايده آل هيچ نيرويي به سمت جلو و عقب هلي کوپتر وجود ندارد. اما اگر از عقب يا روبرو باد ملايمي بوزد، نيرويي به هلي کوپتر وارد مي شود که آن را به جلو يا عقب مي راند. پس بايد براي ماندن در آن نقطه نيرويي در جهت عکس آن توليد شود که اين کار توسط مؤلفه اي از نيروي «برا» انجام مي گيرد. بنابراين هر نيرويي که در جهت افقي به هلي کوپتر وارد شود يا کج شدن صفحه چرخش ملخ و ايجاد مؤلفه اي از نيروي برا، خنثي مي شود. نيروي برا هميشه عمود بر صفحه چرخش ملخ خواهد بود و برآيند نيروهايي است که در نقاط مختلف صفحه چرخش ملخ به وجود مي آيد.
تعادل نيروها در پرواز ايستا از نماي بالا (Hovering analysis from top view)
اگر يک مقطع از ملخ در حال چرخش را بررسي کنيم خواهيم ديد که متناسب با نيروي برا، نيرويي به سمت عمود بر نيروي برا و در جهت مخالف حرکت ملخ به وجود خواهد آمد که به آن نيروي «پسا» (Drag) گويند.
براساس قانون سوم نيوتون که براي هر عمل، عکس العملي مساوي و در جهت خلاف جهت آن وجود دارد، نيروهاي پسا که در هر نقطه از ملخ به وجود مي آيد به خاطر وجود فاصله تا مرکز دايره چرخش يا شفت روتور اصلي، گشتاوري ايجاد مي کنند که مجموع آن ها را گشتاور ملخ يا گشتاور روتور (Rotor Torque) گويند. اين گشتاور به شفت روتور وارد شده و چون شفت روي بدنه هلي کوپتر سوار است نهايتاً به بدنه منتقل مي شود، يعني بدنه ميل دارد در جهت خلاف چرخش ملخ ها حول محور عمودي بچرخد. براي روشن تر شدن اين قضيه فرض کنيد شما روي يک سطح صاف يخي در کنار ستوني ايستاده ايد. اگر با يک دست به ستون نيرو وارد کنيد چه اتفاقي مي افتد؟ بدن شما ميل دارد در خلاف جهت اعمال نيرو بچرخد و چون سطح زير پاي شما صيقلي است، پاي شما سُر خورده و بدن شما مي چرخد. اما اگر روي سطح آسفالت اين کار را انجام دهيد اصطکاک بين کفش شما و زمين نيروي مخالف و هم اندازه ايجاد خواهد کرد و بدن شما نخواهد چرخيد. بنابراين در هلي کوپتر هم بايد گشتاور مخالف و هم اندازه گشتاور ملخ ايجاد شود تا بدنه در هوا بدون چرخش بماند. اين کار وظيفه پروانه دم است. يعني پروانه دم در حالت خنثي بايد نيرويي ايجاد کند که اگر آن را در فاصله آن تا مرکز شفت اصلي ضرب کنيم گشتاوري به دست مي آيد که بايد با گشتاور ملخ هم اندازه اما خلاف جهت آن باشد. نکته مهم در اين رابطه اين است که گشتاور ملخ اصلي با افزايش و کاهش گام زياد و کم مي شود. بنابراين با افزايش گام ملخ اصلي، گام ملخ دم نيز بايد افزايش يابد که به اين ترکيب Tail rotor/Collective Mix گفته مي شود.
چگونگي تعادل نيروها در پرواز ايستا از نماي پشت (Hovering Analysis from Back view)
همان طور که در تصوير مشاهده مي کنيد تنها نيرويي که در راستاي محور عرضي ايجاد مي شود، نيروي پروانه دم است که جهت خنثي کردن گشتاور ملخ توليد مي شود. اين نيرو علاوه بر توليد گشتاور، باعث ايجاد کوپل نيرو در مرکز ثقل و حرکت هلي کوپتر در جهت اعمال نيرو مي شود. براي اين که در راستاي محور عرضي تعادل نيروها برقرار باشد، بايد نيرويي هم اندازه و مخالف جهت آن ايجاد شود که آن را خنثي کند. اين نيرو نيز توسط مؤلفه اي از نيروي «برا» ايجاد مي شود که بسيار کوچک است. يعني صفحه چرخش ملخ و نيروي برا در حالت خنثي بايد به سمتي مايل باشد که بتواند مؤلفه اي جهت خنثي کردن نيروي پروانه دم داشته باشد.
منبع: ماهنامه نوآور / شماره 70
