Mechanical engineering | Fabrication technology » Dr. Gausz Tamás - Autogírók és helikopterek

Dr. Gausz Tamás Autogírók és helikopterek Válogatott fejezetek Budapest, 2015 Tartalomjegyzék Bevezetés 1 I. A helikopter és az autogíró repülése I.1 Az általános átáramlás vizsgálata I.2 A repüléshez szükséges és a rendelkezésre álló teljesítmény 5 11 14 II. Alapelrendezések 19 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai III.1 Tengelydöntés és a hintás rotoragy III.2 Csuklós rotoragy III.3 A rotorok működése III.4 Önforgás (autorotáció) – bevezető ismeretek III.5 A forgószárny lapátok rugalmassága 29 29 35 43 51 61 IV. A farokrotor és a vezérsíkok IV.1 A farokrotor IV.2 A vezérsíkok 64 64 71 V. Stabilitás és kormányozhatóság V.1 A rotor viselkedése V.2 Néhány szó a helikopterekről V.3 Néhány szó az autogírókról 77 79 81 85 F1. Melléklet: Jelölésjegyzék 89 Irodalomjegyzék 93 Bevezetés Ebben a munkában az autogírók valamint a helikopterek –

összefoglaló néven forgószárnyas repülőgépek – aërodinamikájának és dinamikájának néhány, a Szerző véleménye szerint fontos kérdésével foglakozunk. Csak néhány kérdéssel, hiszen teljességre törekedni – az anyag terjedelme miatt – aligha lehetséges Az „autogíró” elnevezést a [7]ben megadott formában írjuk, ez egyébként azonos a Bakos Ferenc szerkesztette „Idegen szavak és kifejezések kéziszótára” (Akadémiai Kiadó, Budapest, 1994, ISBN 963 05 6773 3, 87. oldal) c művében található alakkal E munkának a legfőbb célja az, hogy a máshol, esetleg más nyelven rendelkezésre álló információkat összefoglalja, bepillantást engedve ez által a forgószárnyas repülőgépek működésének legfontosabb sajátosságaiba. A munkához adott irodalomjegyzék viszonylag bő: ez, reményeink szerint segíti a látókör szélesítését és azokra a területekre is elvezet, amelyekkel nem volt módunk foglalkozni. Az

irodalomjegyzékben szerepel e munka Szerzőjének néhány, magyar nyelven írott, az itt szereplő ismereteket megalapozó, illetve kiegészítő jegyzete. Alapismereteket foglal össze [10] és [11] – ezek áttekintése és szükség esetén tanulmányozása – véleményünk szerint igen ajánlatos. Kiegészítő ismereteket tartalmaz [33], [60] és [78] Ezek, és adott esetben a többi, vonatkozó irodalom tanulmányozása az érdeklődők számára ajánlott. A rotorlapátokon (forgószárny lapátokon) keletkező légerőket a geometriai kialakítás mellett a rotorlapátok mozgásállapota is meghatározza. Ugyanakkor a mozgásállapotot a légerők, a rugalmas és a tehetetlenségi erők határozzák meg. A vizsgálathoz tehát olyan matematikai-fizikai modell szükséges, amelyet mindezen területek – beleértve az időben változó áramlás hatásának figyelembe vételét – együttes alkalmazásával nyerhetünk. Ez a modell azonban rendkívül összetett, ilyen

mélységű tárgyalásra messze nincs módunk – csak törekedhetünk erre! A következőkben tehát általában merev rotorlapáttal és a legtöbbször kvázi stacionárius aërodinamikai hatásokkal számolunk. A rugalmasság vagy az instacioneritás hatásainak figyelembe vétele – elvileg – a vonatkozó szakirodalom alapján (pl. [76]-[81]) lehetséges A következőkben a vektor mennyiségeket – több esetben – egyszerűsített formában, előjeles skalár számként is használjuk. Ez a szám pozitív, ha a vektor a hatásvonalán felvett koordináta tengely pozitív irányába mutat, ellenkező esetben negatív Ilyen például a T signum (T ) , a vonóerőből származtatott előjeles szám – pozitív, ha a vonóerő a hatásvonalán felvett koordináta tengely pozitív irányába mutat, ellenkező esetben negatív. A pozitivitást általában alap ábrákon definiáljuk és ezt valamilyen, a szövegben meghatározott környezetben használjuk. Akkor, amikor a vektor

jelleg nem fontos (például a sebesség esetében, ha a dinamikai nyomást számoljuk), a vektort jelző alulvonást elhagyjuk. 1 Bevezetés A munkában több helyen is előfordul, hogy olyan fogalmakkal dolgozunk, amiket korrekt módon csak később vezetünk be – ez sajnos nem kerülhető el. Ha tehát a Tisztelt Olvasó alaposan óhajtja a kérdéskört tanulmányozni, akkor többször kell átolvasnia az anyagot, esetleg a vonatkozó szakirodalmat is tanulmányoznia kell. B.1 ábra: Repülő eszközök összehasonlítása A B.1 ábrán egyes repülő eszközök (helikopter, utasszállító repülőgép és szuperszónikus vadászrepülő) lehetséges repülési magasságát (H) és repülési sebességét (V0) kijelölő területét tüntettük fel. Látható, hogy a helikopterek és a forgószárnyas repülőgépek sebesség-magasság tartománya a legkisebb, de döntő jelentőségű, hogy a helikopter tud lebegni, illetve függőlegesen le- és felszállni. A

helikopterek fejlődését szemléletesen mutatja a teljesítmény-terhelés (angolul: „Power Loading – PL”) elnevezésű jellemző, amelyet a felszálló súly (angolul: Maximum Take Off Weight – MTOW) és a beépített hajtómű teljesítmény hányadosaként számíthatunk. Ennek a jellemzőnek az értéke az 1900-as évek első évtizedeiben 100 − 180 [ N kW ] értékű volt. Ez azt jelenti, hogy az akkori technikai színvonalnak megfelelően nehéz helikoptereket kis teljesítményű hajtóművekkel szerelték fel Napjainkra, a technikai fejlődésnek köszönhetően, a helikopter építési céljától is függően ez az érték 30 − 60 [ N kW ] ra csökkent A helikopterek fontos jellemzője a rotorlapátok által súrolt körfelületre számított felületi terhelés (angolul: Disk Loading – DL), ezt az alábbi egyenlet definiálja: DL = MTOW G = ( rövidebben ) = 2 ; 2 RMRπ RMRπ (B.1) Sok helikopter adatainak összesítése alapján, statisztikai jellegű

összefüggést adhatunk meg: a helikopterek a maximális felszálló tömegének (angolul: Maximum Take Off Mass – MTOM) függvényében a felületi terelése várható értéke (ez csak egy, a számtalan, hasonló összefüggés közül!): DL = 38.06 ⋅ MTOM 0239 ; (B.2) 2 Bevezetés A (B.2) összefüggés jobb oldalán, független változóként a maximális felszálló tömeg szerepel. Ez azért van így, mert a szakirodalomban igen gyakran fordul elő az, hogy a maximális felszálló súlyt nevezik meg, de a kérdéses mennyiséget [ kg ] dimenzióban adják meg – ez pedig tömeget jelent, akármit gondol is erről az adatszolgáltató. A (B2) szerint a felületi terhelés nagyjából 100 − 600  N m 2  között változik, méghozzá úgy, hogy a maximális felszálló tömeg növekedésével a felületi terhelés is növekszik, vagyis a nehezebb helikopterek felületi terhelése nagyobb. A B2 ábrán feltüntettük néhány helikopter konkrét felületi

terhelését, és a (B.2) szerinti kiegyenlítő görbét is: B.2 ábra: Helikopterek felületi terhelése A B.2 ábrán meglehetősen széles a maximális felszálló tömeg tartomány, bár a helikopterek esetében a 20000 [kg]-os érték felett már csak kevés gép található Ezért a B3 ábrán, a vízszintes tengelyt csak a 20000 [kg]-os értékig rajzoltuk fel. B.3 ábra: Autogírók és helikopterek felületi terhelése 3 Bevezetés Ezen a, B.3 ábrán feltüntettük néhány autogíró felületi terhelését is (körök, sárga belső területtel) Az autogírók estében a legkisebb maximális felszálló tömeg legkisebb értéke 200-250 [kg] körül változik és az 1500 [kg]-ot csak igen kevés gép esetében haladja meg Feltüntettük továbbá az autogírókra vonatkozó, várható érték görbét (szaggatott vonallal) is – ez, jól láthatóan a helikopter-görbe alatt halad; az egyenlete: DL = 15.68 ⋅ MTOM 0296 ; (B.3) Még egyszer hangsúlyozzuk, hogy

ez statisztika: az, hogy a (B.2) vagy (B3) eredménye igaz lesz-e valamely helikopterre vagy autogíróra, legfeljebb véletlenül fordulhat elő A statisztikai eredmények elsősorban a nagyvonalú tájékozódást segítik elő. Másrészt ilyenfajta, sok repülő adataira alapozott összefüggést bárki kiszámolhat – akár további adatok hozzászámolásával finomíthat is. Nagyon ajánlatos, hogy – mivel ebben a munkában több, a hazai szakirodalomban nem olvasható állítás is található és „errare humanum est” – a Tisztelt Olvasó minden állítást, levezetést, stb. ellenőrizzen, és csak akkor fogadjon el, ha saját maga is meggyőződött a kérdéses részlet helyességéről Az estleges megjegyzések, javaslatok a gausz.tamasmhrt@gmailhu címre küldhetők – ezeket köszönettel fogadom, megfontolom és adott esetben, ha módomban áll, akkor a szükséges korrekciót megteszem 4 I. A helikopter és az autogíró repülése A forgószárnyas

repülőgépek csoportjába tartoznak – más, kevésbé elterjedt légijárművek között – a helikopterek és az autogírók. Ezek a levegőnél nehezebb repülő eszközök a dinamikus felhajtóerő segítségével repülnek, ugyanúgy, mint a merevszárnyú repülőgépek. Ebből a szempontból a leglényegesebb különbség az, hogy a forgó szárny (rotor) – amint azt az elnevezése is mutatja – forog, vagyis amíg a forgás fennáll, addig a rotorlapátoknak van a levegőhöz viszonyított sebessége – ez pedig az aërodinamikus erők keletkezésének szükséges feltétele. A helikopterek forgószárnyát beépített hajtómű forgatja, az autogírók rotorját pedig a repülési sebesség következtében hozzááramló légáram tartja forgásban. A helikopterek tehát, adott esetben, képesek a talaj egy pontja felett lebegni, vagy függőlegesen emelkedni, süllyedni, függőlegesen fel- és leszállni. Ilyenkor a felhajtóerő a forgószárny lapátjainak

forgásából adódó, levegőhöz viszonyított mozgás (sebesség) segítségével áll elő. Az autogíró – mivel a rotorját a hozzááramló levegő forgatja – nem képes lebegni, bár a repülési sebessége igen kis értékre csökkenthető le. Ugyan a forgószárnyas repülőgépek általában – azonos feladat esetén – több üzemanyagot használnak fel és az üzemben tartásuk is drágább, mint a hasonló feladat megoldására alkalmas merevszárnyú repülőgépeké, mégis a helikopterek képessége a lebegésre és a függőleges le- és felszállásra olyan előny, ami miatt ezek a légijárművek napjainkig fennmaradtak, és jelenleg is igen fontosak, széles körben alkalmazzák őket, sőt, egyre újabb típusokat fejlesztenek ki. Ebben, a bevezető részben, az általános vizsgálat tárgyaiként, példaként tekintsük a leggyakrabban alkalmazott egyrotoros – farokrotoros elrendezésű helikoptereket. I.1 ábra: A helikopter repülése 5 I. A

helikopter és az autogíró repülése A helikopter forgószárnya a működése során a körülötte áramló levegő jellemzőit – számunkra most az időegységre eső be- és kilépő mozgásmennyiség változás ( Iɺ0 és Iɺ3 I.2 és I3 ábra) a legfontosabb – megváltoztatja A helikopter rotorja körül – a hajtómű bevezetett teljesítményének eredményeként – hátrafele és lefele gyorsuló áramlás alakul ki. Ezt mutatja az I1 és az I2 ábrán látható áramcső, melynek keresztmetszete a rotor2 nál körülbelül a rotor felületének ( RMR π ) felel meg. Megjegyezzük, hogy ebben a pontban átlagos mennyiségekkel számolunk – a ténylegeshez jobban közelítő sebesség eloszlásokkal később, a részletes aërodinamikai vizsgálatban foglalkozunk majd I.2 ábra: A helikopter rotorja körüli áramkép Tekintsük az áramlást a helikopterhez kötött rendszerből. Vizsgáljunk bevezetésként vízszintes repülést. Az I2 ábrán látható

hozzááramlási sebesség ( V 0 ) ellentettje az I3 ábrán látható repülési sebességnek ( V ). Az I2 és I3 ábrán feltüntettük a főrotor állásszögét is ( α MR ), ez a sebesség egyenesétől a forgószárny főtengelyének gépszerkezeti tengelyére merőleges egyenesig mért szög. Ez a gépszerkezeti tengelyre merőleges egyenes egyébként azonos az xMR koordináta tengellyel A főrotor állásszöge az I2 és I3 ábrán látható esetben (ez a vízszintes repülés – igen gyakori repülési állapot) negatív Az α MR értékének negatív volta a főrotor koordináta-rendszerben (jele: MR) definiált pozitív forgási irányokból következik. De következik a közvetlen szemlélet alapján is, hiszen a forgószárny első, belépő éle a repülési irányhoz viszonyítva alacsonyabban van, mint a hátsó, kilépő él. Az időegységre eső, belépő mozgásmennyiség változás ( Iɺ0 ) a repülési sebességgel párhuzamos és az ellenőrző felületből

(I.2 ábra, szaggatott vonallal kijelölt felület) kifele mutat. Az áramlást a forgószárny feletti depresszió lefele és hátrafele elfordítja és így alakul ki a rotorhoz közeli eredő sebesség: V R = V 0 + vi , ami tehát a hozzááramlási sesz sz sz besség és a közeli, tengelyirányú indukált sebesség ( vi ) vektori összege. A forgószárnyon áthaladó levegő nyomását a hajtómű levegőnek átadott teljesítménye megnöveli - 6 I. A helikopter és az autogíró repülése ezért a működő forgószárny alatt túlnyomás lesz. Emiatt a légáram tovább gyorsul lefele és hátrafele, így alakul ki a második indukált sebesség, illetve az eredő, távoli kilépő sesz besség ( V RT ). Az időegységre eső, kilépő mozgásmennyiség változás a távoli eredő kilépő sebességgel ( V RT = V 0 + 2vi ) párhuzamos és az ellenőrző felület belsejéből kifele musz sz tat. Feltételezzük, hogy a távoli, tengelyirányú indukált sebesség a

közeli, tengelyirányú sz indukált sebesség kétszerese ( 2v i ). Ez csak (általában elég jó) közelítés, ebben a munkában – a szakirodalom döntő többségéhez hasonlóan – mindig ezzel a közelítéssel dolgozunk Ebben a megközelítésben nem vizsgáljuk a további indukált sebesség komponenseket, eltekintünk például a kerületi indukált sebesség összetevőtől, ez másképpen azt jelenti, sz sz hogy az eredő indukált sebesség ( wi ) helyett a tengelyirányú indukált sebességgel ( vi ) számolunk. Vagyis feltesszük, hogy a két indukált sebesség közötti különbség elegendően kicsi, ezért engedhető meg a fenti közelítés Általában azonban vizsgálni kell, hogy ez a közelítés megengedhető-e? Alkalmazzuk az aërodinamika impulzus tételét és adjuk össze a mozgásmennyiség változásokat: ezek eredője ( F ) látható az I.3 ábrán Ennek ellentettje a rotorra (helikopterre) ható erő ( ), melynek felfele mutató összetevőjét

felhajtóerőnek ( L ), előre mutató összetevőjét vonóerőnek ( F P ) nevezzük. A rotoron keletkező erő a rotor körül áramló levegő sebességét megváltoztatja, sebességet indukál. Az eredő indukált sebesség iránya párhuzamos az eredő erő irányával. Ennek megfelelően, az eredő indukált sebességnek – a helikopterrel együttmozgó rendszerből tekintve – lesz egy lefele irányuló és egy hátrafele irányuló összetevője. A lefele irányuló levegőáramlás-elterelés reakciójakként áll elő a felhajtóerő, a hátrafele irányuló gyorsítás reakciója a vonóerő. Nyomatékosan hangsúlyozzuk: az aërodinamikus erő és az indukált sebesség – ezek ugyanazon jelenség jellemzői – szigorúan összetartoznak, csak együtt létezhetnek! I.3 ábra: Erők az impulzus tétel alapján Az I.2 és az I3 ábrán feltüntettük a „rotor-lapátvég-síkot” (RLVS) – a rotorlapátok vége, közelítően ezen a síkon fut. A (merev)

rotorlapátok – később részletesen is foglalkozunk ezzel – egy (közelítőleg) kúpfelületen futnak Ennek a kúpnak a tengelye merőleges az „RLVS”-re, ez a tengely látható az I2 ábrán Az I2 és az I3 ábra egyszerűsített 7 I. A helikopter és az autogíró repülése képet mutat, hiszen a rotor-lapátvég-sík általában nem csak hátrafele, hanem oldalt is billen. Ezt mutatja az I2 ábra jobb oldalán feltüntetett segéd ábra: ott a rotorra ható eredő erőt forgástengely-irányú (T), úgynevezett „vízszintes” (H) és oldalirányú (S) összetevőre bontottuk fel A vízszintes erőösszetevő valójában az xMR tengely irányába eső, az oldalirányú erőösszetevő az yMR tengely irányába eső és a tengelyirányú erőösszetevő a zMR tengely irányába eső erőösszetevő. Ez utóbbi – a korábban már leírtak szerint – a rotor gépszerkezettani forgástengelye A fenti erő összetevők lehetnek akár pozitívak (mint az ábrán),

akár negatívak is. Például az oldalerő nagysága és iránya a csűrőkormány kitérítésétől, a vízszintes erő iránya és nagysága a magassági kormány kitérítésétől függ Itt csak megjegyezzük, hogy a helikopteres szakirodalom a rotor-lapátvég-síkra merőleges tengelyt „nem csapkodó” tengelynek nevezi, mert ehhez a tengelyhez képest a rotorlapátok nem végeznek csapkodó mozgást. Nagyon fontos megállapítás, hogy a rotoron keletkező eredő erő döntő részben a nyomáskülönbségből áll elő, minthogy a csúsztató feszültségekből származó erő a nyomáskülönbségből származó erőhöz képest részben kicsi, részben pedig az iránya is változó. Ezért állíthatjuk azt, hogy a rotoron keletkező eredő légerő ( ) jó közelítéssel merőleges lesz az „RLVS”-re Ezt az I2 és I3 ábrán fel is tüntettük Ezt a közelítést elfogadva lesz érthető, hogy a helikopterek és az autogírók magassági és csűrő kormányzása a

rotor-lapátvég-sík (RLVS) döntésével valósítható meg. A rotor-lapátvég-sík (RLVS) egyébként – repülés közben – általában kissé hátrafelé és oldalt billen A kismértékű hátra billenés látható az I2 és az I3 ábrán A helikopter rotorja tehát nem csak forgó szárny, nem csak felhajtóerőt termel, hanem vonóerőt is előállít. Ezen túlmenően a rotoron keletkező eredő erő nagyságának és irányának a változtatása elengedhetetlen összetevője a helikopterek kormányzásának Vagyis a főrotor az eddig felsoroltakon kívül a csűrőkormány és a magassági kormány szerepét is betölti, és helikoptereknél a farokrotorral együttesen fontos feladata van az oldalkormányzásban is Az I.2 és I3 ábrán látható a farokrotor is Ez a főrotorhoz hasonló forgószárny, a méretei azonban, a főrotor méreteinél jelentősen kisebbek és a szerkezeti kialakítása is valamelyest egyszerűbb A farokrotornak egyrészt ellensúlyoznia kell a

főrotort forgató nyomatékot, másrészt biztosítani kell a helikopter útirányú kormányzását. Annak érdekében, hogy a főrotor általában igen nagy reakció nyomatékát viszonylag kis erővel lehessen ellensúlyozni, a farokrotort általában a főtengely mögött, messze hátul (a faroktartó végén) helyezik el. A farokrotorral később, a IV fejezetben részletesebben is foglalkozunk. Az autogíró repülésének vizsgálatánál (ebben a bevezető részben) az autogíróra szerelt, az I.4 ábrán látható motor-légcsavar egység (ez biztosítja az aktuális, repülési állapothoz szükséges tolóerőt) részletesebb vizsgálatától eltekintünk, annak hatását az ábrán nem is tüntettük fel! 8 I. A helikopter és az autogíró repülése Az autogírók – az ugróstarttól eltekintve – nem működhetnek helikopterként, viszont minden helikopternek képesnek kell lenni a hajtómű nélküli autogíró szerű, sikló repülésre. Ezt a repülési

állapotot – melyre például a hajtómű leállás miatt lehet szükség – a helikoptereknél autorotációnak (önforgásnak) nevezzük. Mivel az autogíró rotorját, illetve az autorotáló helikopter főrotorját a hozzáérkező légáram forgatja, a levegő a rotor körüli áramlásban energiát veszít (a rotor forgatásával munkát végez), azért a kilépő levegő sebessége és ezzel a kilépő mozgásmennyiség változás vektor abszolút értéke csökken. Így alakul ki az I4 és az I5 ábrán látható, lefele görbülő, de hátrafelé bővülő áramcső. Ezért tehát, a lefele irányuló indukált sebesség reakciójaként előáll a felhajtóerő, az előrefele mutató indukált sebesség összetevő miatt azonban ellenállás keletkezik (I.5 ábra) Ugyanezt állapíthatjuk meg az eredő légerő szemrevételezése alapján is: a felfele mutató és hátrafele billenő eredő légerő felfele irányuló összetevője a felhajtóerő, a hátrafele irányuló

összetevő a légellenállás (I.5 ábra) Ez a merev szárnyak működéséhez hasonló: a felhajtóerő mellett azokon is ellenállás jön létre (pl. [10] és [11]) Ezért az autogíró önmagában csak sikló repülésre képes, illetve azért, hogy az autogíró felszállhasson, vízszintesen repülhessen vagy emelkedhessen kiegészítő vonó (toló) erőre van szükség. Erre szolgál például a beépített motor-légcsavar egység. I.4 ábra: Az autogíró repülése Az autogíró rotorját a hozzá áramló légáram forgatja, ezért – a hajtómű által forgatott helikopter rotorral szemben – lényegében nincs reakció nyomatéka. (Valamennyi nyomaték azért, a csapágysúrlódás miatt mégiscsak fellép) Az autogírókon tehát nincs szükség farokrotorra (vagy esetleg másféle főrotor reakciónyomaték-kiegyenlítésre). Oldalkormányzásra általában oldalkormány-lappal ellátott függőleges vezérsíkot alkalmaznak A keletkező (csekély) súrlódó

nyomaték kiegyenlítéshez és az oldalkormányzáshoz ez elegendő A függőleges vezérsíkról részletesebben a IV fejezetben lesz szó 9 I. A helikopter és az autogíró repülése Más a helyzet az autorotáló helikoptereknél (I.5 ábra) Ebben az esetben szerencsés, ha a főrotor forgatni tudja a farokrotort, ekkor a megfelelő (kis) szögre beállított farokrotor lapátok képesek kiegyenlíteni a súrlódó nyomatékot, illetve a farokrotor lapátok beállítási szögének szabályozásával az oldalkormányzás is lehetővé válik. A helikopter vizsgálatánál megállapítottuk, hogy a rotoron keletkező eredő légerő a rotor-lapátvég-síkra (RLVS) merőlegesen keletkezik. Ez a megállapítás az autogírók és az autorotáló helikopter esetében is igaz; ez látható az I.5 ábrán is Illetve ennek megfelelően lesz a hátrafele billenő eredő erőnek felhajtóerő és ellenállás összetevője Ezek szerint ezen az úton is azonos következtetésre

jutunk! I.5 ábra: Autorotáló helikopter Ebben a fejezetben az átlagos (rotorhoz közeli, tengelyirányú) indukált sebességgel foglalkozunk – ez a forgószárny sík feletti, megoszló indukált sebesség átlagos értéke, mellyel ugyanakkora légerőt kapunk, mint a tényleges, megoszló indukált sebesség alapján kapnánk. Az indukált sebességre és az aerodinamikai erőre az alábbi állításokat mondjuk ki: 1./ Az aërodinamikai erő és az indukált sebesség egymás létét kölcsönösen feltételezi, mindig együtt jelennek meg: aërodinamikai erő ⇔ indukált sebesség 2./ Az aërodinamikai erő és az indukált sebesség hatásvonala párhuzamos, értelmüket a külső megfigyelő azonosnak, az együttmozgó megfigyelő ellentétesnek látja: aërodinamikai erő indukált sebesség 3./ Ez, a harmadik állítás csak közelítés: a távoli indukált sebesség jó közelítéssel kétszerese a közeli indukált sebességnek: távoli indukált sebesség

≅ 2 ⋅ közeli indukált sebesség 10 I. A helikopter és az autogíró repülése A fenti két állítás és egy közelítés több szempontból alapvető és az aërodinamikában általában is – tehát pl. a merevszárnyú repülőgépekkel kapcsolatban is – igaz Példaként említjük a légcsavarokat (többek közt [11] és [33]), ahol a fentieket általánosan alkalmazzák. A helikopter és az autogíró rotorok tehát nem csak szárnyak (forgószárnyak), hanem több, más alapvetően fontos feladatot is ellátnak. Ezért a szerkezeti felépítésük ennek kell, hogy megfeleljen. I.1 Az általános átáramlás vizsgálata Természetesen a helikoptereknek, a többi légijárműhöz hasonlóan, képesnek kell lenni előrehaladó repülésre is. A következőkben csak az egyenes vonalú, egyenletes sebességű, vízszintes repüléssel foglalkozunk. Az I.2 ábra a helikopter rotor körül definiálható áramcsövet tünteti fel Ez egy, a jelen tárgyalási szinten

elfogadható közelítés. Feltételezzük, hogy az áramcső áramlási irányra merőleges metszetei körök, a rotornál lévő (középső) kör sugara – az ábrán csak egy szaggatott vonalnak látszik – éppen egyenlő a rotor sugarával. Ezt a feltételt Glauert javasolta először A valósághoz közeli volta mellett azért is célszerű alkalmazni, mert a tengelyirányú átáramlási módok vizsgálatakor teljesülése evidens. Az I.2 és I3 ábrán feltüntettük a rotor-lapátvég-síkot (RLVS, angolul: „TPP – Tip Path Plane”) – ez a rotor tengelyre merőleges síkhoz képest, előrehaladó repülésben, kis mértékben hátrafele és oldalt billen. Az ábrán a hátrabillenést feltüntettük, az oldalbillenést ebben a nézetben nem szerencsés ábrázolni. Ezek a billenések az okai annak, hogy a helikopterek főtengelyét sok esetben a leggyakrabban előforduló, az utazórepülésnek megfelelő ellen-döntéssel építik be Az autogíró rotorok

állásszöge, ezzel szemben, hasonlóan a merevszárnyú repülőgépek szárnyához, általában pozitív. Azaz a belépő él magasabban van, mint a kilépő él A helikoptereknél a felhajtóerő és a vonóerő együttes termelése követeli meg a negatív állásszöget. Az autogíró vagy helikopter rotorja körüli áramlás tehát – az I.1, I2, I4 és I5 ábra szerint – egy véges tartományban vizsgálható (a szaggatott vonallal határolt, egyszeresen összefüggő, zárt térfogat). Az ebben az áramcsőben mozgó tömegáram a rotornál lévő, eredő sebesség ( VR ) és a rotor-felület valamint a levegő sűrűségének szorzataként számítható (az (I.1) kifejezésben, az I2 ábrának megfelelően a szélcsatorna szemlelet szerinti sebességekkel számolunk): 2 mɺ = ρ VR RMR π ; itt : VR = (V sin α 0 MR 11 − visz ) + (V cos α ) 2 0 MR 2 ; (I.1) I. A helikopter és az autogíró repülése Az (I.1) kifejezéssel történő számoláskor

ügyelni kell arra, hogy az eredő sebesség ( VR ) zMR koordináta tengely irányába mutató összetevőjének – a I.2 ábrának megfelelő helyzetben – mindkét tagja negatív, így összegzendő. Az első tag, a vizsgált helyzetben a rotor állásszög negatvitása miatt lesz negatív, a második tag (a közeli, átlagos indukált sebesség) pedig a szóban forgó koordináta tengellyel ellentétes értelmű. Megjegyzendő, hogy az előjelek következetes alkalmazásával más, az ábrán vázolttól eltérő esetek is vizsgálhatók. Tételezzük fel, hogy a I.2 ábrán feltüntetett, szaggatott vonallal jelölt ellenőrző felületre a nyomáskülönbségekből származó erő elhanyagolható (~nulla) és hanyagoljuk el a térfogati erőket (súlyerő) is. Ekkor, az impulzus tétel értelmében, az ellenőrző felületen belül elhelyezkedő idegen testre (ez a helikopter, autogíró – de lehetne más repülőgép vagy bármilyen idegen test is) az áramcsövön áthaladó

levegő időegységre eső, eredő mozgásmennyiség változásának mínusz egyszerese szerinti erő hat. A rotoron keletkező emelő erőt tehát az áthaladó tömegáram és a kétszeres, átlagos indukált sebesség szorzataként kapjuk:   T = mɺ 2visz =  ρ    (V sin α 0 MR − visz ) + (V cos α ) 2 0 MR 2  2  sz  RMRπ  2vi ;   ( ) (I.2) Az (I.2) nemlineáris algebrai egyenlet, megoldása, azaz a közeli átlagos indukált sebesség kiszámítása nem túl könnyű A legjelentősebb probléma az, hogy a megoldáshoz ismerni kell a megfúvási sebesség (a repülési sebesség ellentettje) és a rotor állásszög összetartozó érték-párt; ez az érték pár pedig a repülés mechanikából, a vizsgált, egyenletes sebességű repülési helyzet egyensúly-feltételéből adódik. Tételezzük fel a következőkben, hogy az emelő erő (T ) közelítőleg egyenlő a súlyerővel (G ). Tekintsük először a lebegést ( V =

V0 = 0 ) A lebegésbeli, átlagos, közeli indukált sebesség (I.2)-ből számítható: viFsz = 1 2ρ T R π 2 MR ≅ 1 2ρ G R π 2 MR = 1 DL 2ρ ( feltéve, hogy T ≈ G ) ; (I.3) Az (I.3) kifejezésben megjelenik a felületi terhelés (DL), melynek értéke – mint azt a bevezetésben bemutattuk – kb. 100 és 600 [N/m2] között változik Ez azt jelenti, hogy a közeli, átlagos indukált sebesség értéke kb. 6 és 16 [m/s] között változik, a leggyakrabban 10 [m/s] körüli értékkel bír. Továbbra is feltéve, hogy a súlyerő közelítőleg egyenlő az emelő erővel, a nagy repülési sebességeket vizsgáljuk, ahol: V0 ≫ visz . Ebben az esetben (I2) közelítőleg az alábbi, egyszerűbb alakban írható: ( 2 G ≅ ρ V0 RMR π )( 2v ) sz i ⇒ visz ≅ G ; 2 π 2 ρ V0 RMR 12 (I.4) I. A helikopter és az autogíró repülése Az (I.4) kifejezés egy hiperbolát határoz meg; belőle mindig valamivel nagyobb indukált sebességet határozhatunk

meg, mint (I2)-ből a T ≈ G feltétellel, mert a rotornál lévő eredő sebesség abszolút értéke mindig nagyobb, mint a hozzááramlási sebesség – és ez kerül (I.4) nevezőjébe I.6 ábra: A közeli, átlagos indukált sebesség alakulása a sebesség függvényében Az I.6 ábrán egy valóságos ( MTOM = 2500 [ kg ] és DMR = 984 [ m ] ) helikopter közeli, tengelyirányú, átlagos indukált sebesség alakulását tüntettük fel, a sebesség függvényész ben. A „tényleges indukált sebesség” görbe kezdőpontbeli értékét ( viF ) az (I.3)-ból számítottuk A „hiperbolikus approximáció” jelzésű görbét pedig az (I4) felhasználásával határoztuk meg. Ehhez tart alulról – a sebesség növekedésével – a tényleges indukált sebességet mutató görbe A fenti megfontolások ugyan sok közelítést tartalmaznak, azonban biztosan levonható az a következtetés, hogy az átlagos indukált sebesség a (megfúvási vagy repülési) sebesség

növekedésével csökken. Ez a reláció – természetesen – másféle repülőgépszárnyra is igaz: például egy merevszárnyú repülőgép szárnya mögötti, átlagos indukált sebesség is hasonló módon változik, persze ezt csak a merevszárnyú repülőgép számára elérhető sebesség tartományban szabad tekinteni. Az I.6 ábrán látható, „tényleges indukált sebesség” elnevezésű görbe több, más ok miatt azért is kiemelten fontos, mert a helikopter repüléséhez szükséges teljesítmény egyik összetevője, az indukált teljesítmény e görbéhez hasonlóan alakul. Az előrehaladó repülés további kérdéseinek vizsgálatához feltétlenül szükség van a rotorlapátok mozgásának vizsgálatára. Ez a mozgás általában lehet merev testszerű (ilyen a csapkodás, matatás és az elfordulás) és eredhet a lapátok rugalmasságából (hajlító és csavaró deformációból). E mozgások sebessége jelentősen befolyásolja a rotorlapát

metszetek sebesség állapotát, ezzel a rajtuk keletkező légerőket – amik viszont a mozgásállapotot változtatják. Vagyis ez a vizsgálat az aerodinamikán túli, további tudományterületek bevonását is megköveteli Ezért ezt a kérdéskört e munka keretein belül nem tárgyaljuk. 13 I. A helikopter és az autogíró repülése I.2 A repüléshez szükséges és rendelkezésre álló teljesítmény I.21 Helikopterek A helikopterek repüléséhez szükséges teljesítményt csak nagy vonalakban vizsgáljuk. Az igen jellegzetes, szükséges teljesítmény görbe – az egyrotoros, farokrotoros helikopterekre – az I.7 ábrán látható: I.7 ábra: A helikopterek repüléshez szükséges teljesítménye Az I.7 ábra alapján megállapíthatjuk, hogy a repüléshez szükséges teljesítmény - általában – négy rész-teljesítményből áll össze, ezek: az indukált, a káros, a profil és a farokrotor forgatásához szükséges rész-teljesítmény. A közeli,

átlagos indukált sebességgel kapcsolatban már említettük, hogy az indukált teljesítmény a „T” erő és a közeli, átlagos indukált sebesség szorzata – ezért az ezt ábrázoló görbe az I6 ábra „Tényleges indukált sebesség” görbéjéhez hasonló A károsnak nevezett rész teljesítmény a repülés közben fellépő légellenállások – ezek a repülési sebesség négyzetével arányosak – legyőzéséhez szükséges. Értékét úgy számolhatjuk ki, ha a légellenállások eredőjét – a „k” az eredő légellenállás számításhoz szükséges mennyiségek gyűjtője – szorozzuk a repülési sebességgel. Ennek az összefüggésnek alapján rajzolt görbe (is) látható az I7 ábrán A profil teljesítmény a rotorlapátok szárnyprofiljain keletkező profilellenállás legyőzéséhez szükséges teljesítmény. Első közelítésnek elfogadhatjuk, hogy a profilellenállás állandó és mert a rotor szögsebessége is tekinthető

állandónak, azért, végeredményben ezt a rész teljesítményt körülbelül állandónak vesszük. Az értéke – tekintettel arra, hogy jó, tehát alacsony profilellenállású szárnymetszetek alkalmazására törekszünk - általában kicsi. 14 I. A helikopter és az autogíró repülése Tekintsük végül a farokrotor forgatásához szükséges teljesítményt. Törekszünk arra, hogy ez kis értékű legyen. Jóllehet ez a rész teljesítmény biztosan változik a repülési sebességgel, első közelítésben, az egyszerűség kedvéért ezt is állandónak vesszük (I7 ábra) A farokrotorokkal részletesebben a IV fejezetben foglalkozunk E négy rész teljesítmény összegeként áll elő a helikopterek repüléshez szükséges teljesítménye. Csak a lebegni is képes repülő eszközökre (például a helikopterek) jellemző, hogy létezik egy, (véges) lebegéshez szükséges teljesítmény – ahonnan az eredő szükséges teljesítmény görbe elindul.

Megfigyelhető, hogy a repülési sebesség növekedésével – egy darabig – csökken, azután pedig szigorúan monoton nő a szükséges teljesítmény. Vagyis létezik pontosan egy sebesség – ezt nevezzük gazdaságos sebességnek – amelynél a szükséges teljesítmény minimális. Ez több szempontból is nagyon fontos sebesség, értéke a levegő sűrűségének, tehát például a magasság változásával változik I.8 ábra: Szükséges és rendelkezésre álló teljesítménye, repülési terület A helikopterek repülésének teljesítmény jellemzőinek magasság szerinti függését az I.8 ábrán láthatjuk Ezen az ábrán elméleti, talajhatás nélküli jellemzők láthatók! 15 I. A helikopter és az autogíró repülése Az I.8 ábra felső részén három magasságra rajzoltuk fel a megfelelő, az I7 ábra szerinti szükséges teljesítmény ( PSZ ) görbét, illetve ugyanezen magasságokra megrajzoltuk a rendelkezésre álló teljesítmény ( PREND )

görbéjét is. Ez utóbbiról feltettük, hogy nem függ a repülési sebességtől – tehát a sebesség tengellyel párhuzamos, egyenes vonallal ábrázolható. A beépített hajtómű teljesítménye a H1 magasságon legyen a legnagyobb – ennek megfelelően a rendelkezésre álló teljesítmény a H 0 (nulla méter) és a három közül legnagyobb H 2 magasságon is kisebb lesz, mint H1 -en. A szükséges teljesítmény görbék a növekvő magassággal, az I.8 ábrán látható módon, jobbra, felfelé tolódnak el Az I.8 ábrára berajzoltuk az egy-egy magassághoz tartozó szükséges és rendelkezésre álló teljesítmény görbék körökkel jelzett metszéspontjait. Ezeket a metszéspontokat az alsó rész-ábrára is levetítettük, ahol az adott magasság vonallal újabb metszéspontokat kapunk. Ezek, az alsó rész-ábrán adódó metszéspontok rajzolják ki az alsó rész-ábrán látható vastag görbét – a helikopter repülése során eme görbével határolt

területen lévő sebesség-magasság értékekkel jellemzett pontoknak megfelelő egyensúlyi állapotokat érhet el. Ez a görbe, illetőleg terület adja a helikopter használhatósági tartományát Ennek a göbének a megfelelő görbe látható a B1 ábrán is A szükséges és rendelkezésre álló teljesítmény göbéknek a H 0 és a H1 magasságnál csak egy, a H 2 magasságon azonban két metszéspontja van. Az első két magasságon adódó metszéspont az adott magasságon elérhető, maximális repülési sebességet jelöli ki. Ennek, illetve a rendelkezésre álló teljesítményről korábban állítottaknak megfelelően a legnagyobb repülési sebességek maximuma ( VMAX , MAX ) a H1 magasságnál adódik, itt lesz az alsó rész-ábra határ görbéjének a függőleges érintője. Ilyen, maximális sebesség a H 2 magasságnál is kiadódik, de ez az érték – a többihez képest – már elég kicsi. Ugyanakkor a H 2 magasságnál egy minimális sebesség is

kiadódik! Ez azt jelenti, hogy ebben a magasságban a helikopter már nem tud lebegni, van egy, minimális sebessége. A felső rész-ábrán bejelöltük még a három magassághoz tartozó gazdaságos sebességet is, illetve ezeket is levetítettük az alsó rész-ábrára. Ezek, a gazdaságos sebességek – a korábban leírt egyszerűsítő feltételek esetén – a magassággal szigorúan monoton nő. Ez látható az alsó rész-ábrán jobbra dőlő, pontozott vonallal jelölt „Gazdaságos sebesség a magasság függvényében” elnevezésű görbén. Az alsó rész-ábrán látható görbe a H ST , statikus csúcsmagasságnak nevezett ponttól indul. Ennél a magasságnál a rendelkezésre álló teljesítmény vonala éppen érinti a szükséges teljesítmény görbéjét, a lebegés pontjában ( V = 0 ) Ez az a legnagyobb magasság, amiben a helikopter, talajhatás nélkül, még lebegni képes. Növekvő magassággal előáll a már említett minimális sebesség.

Illetve jobbra haladva elérjük a H DIN , dinamikus csúcsmagasságnak nevezett pontba. Ez az egyensúlyi repülésben elérhető legnagyobb (elméleti!) csúcsmagasság. Ennél a magasságnál a rendelkezésre álló teljesítmény vonala éppen érinti a szükséges teljesítmény görbéjét, a gazdaságos sebesség pontjában. 16 I. A helikopter és az autogíró repülése Az alsó rész-ábrán két, szaggatott vonal is látható. Ezek, adott esetben a legnagyobb repülési sebességet korlátozzák. A felső, „ EH ” jelű görbe azt jelenti, hogy az előrehaladó lapát lapátvége túllépné az adott magasságban érvényes hangsebességet, ezt nyilván el kell kerülni. A szaggatott vonal a növekvő magassággal a csökkenő sebességek felé halad, mivel a hangsebesség a magasság növekedésével csökken. Nincs ilyen korlát, ha a lapátvég sebesség elegendően kicsi, vagy olyan a lapátvég kialakítása (például nyilazott vég), hogy az említett

probléma legyőzhető. Az alsó, „ HH ” jelű szaggatott vonal szintén a maximális sebességet korlátozza, abban az esetben, ha a hátrahaladó lapátvég az esetleg túl nagy állásszöge miatt átesett állapotba kerülne. Nincs ilyen korlát, ha a lapátprofil kritikus állásszöge elég nagy, vagy például alkalmas kialakítással elérhető, hogy a lapátvég zónájában keletkező örvények (például a lapátvég és a bevágási örvény) a kritikusnál nagyobb állásszögeken is rásimítsák az áramlást a lapátvégre. Mindeddig elméleti görbéket vizsgáltunk, talajhatás nélküli estre. A talajhatás nagy vonalakban azt jelenti, hogy a lebegésben és a kis sebességű repülési a repüléshez szükséges teljesítmény állapotokban csökken, de a csökkenés a sebesség növekedésével egyre kisebb lesz, illetve egy sebesség felett már nincs különbség. A talajhatás nagyjából két rotor átmérőnyi magasságban kezdődik és a magasság

csökkenésével növekszik. A földön álló helikopter esetében az emelő erő (T) akár 30~40%-kal is megnövekedhet a végtelen légtérbeli értékhez képest A talajhatás lehetőséget ad például a statikus csúcsmagasság feletti felszálláshoz: a helikopter felemelkedhet a légpárnára, illetve – akadálymentes terep felett! – gyorsulhat, mindaddig, amíg a növekvő sebességgel elő nem áll az a teljesítmény viszony, illetve teljesítmény felesleg, amivel már a légpárna felett, légpárna nélkül is képes repülni. Megjegyzendő, hogy a statikus csúcsmagasság elérése esetleg nem is olyan ritka: alacsony légnyomás mellett, nagyon meleg időben, maximális felszálló tömeg esetén bizony hamar előállhat ez a helyzet. Egy-egy konkrét helikopter esetére a teljesítmény adatokat, korlátozásokat, a követendő eljárásokat a típus repülési kézikönyve tartalmazza! I.22 Autogírók Az autogírók szükséges és rendelkezésre álló

teljesítmény görbéje a merevszárnyú repülőgépeknél ismerthez nagyon hasonló módon alakul. A szükséges teljesítmény egy, minimális értéktől jobbra-balra egyaránt növekszik, illetve találunk egy, minimális és egy, maximális egyensúlyi repülési sebességet – az egyensúlyi repülési állapotok e közt a két sebesség között találhatók. 17 I. A helikopter és az autogíró repülése Ugyanakkor az autogíróval abban az értelemben, ahogyan azt a merevszárnyú repülőgépeknél használják, nem lehet átesni. A vízszintes sebesség akár nulla értékűre is lecsökkenthető – ekkor jön létre a tengelyirányú (süllyedő) autorotáció Ebben az esetben csak a süllyedési sebesség értéke lehet nemkívánatosan nagy, de, adott esetben, a gyakorlatban is előforduló repülési állapot lehet. I.9 ábra: Autogíró szükséges és rendelkezésre álló teljesítménye Éppen ezért alakult ki az angol nyelvben a „repülés a

teljesítmény görbe mögött” kifejezés, ami arra utal, hogy az autogírókkal a minimális sebességnél kisebb sebességgel is lehet repülni, csak ez nem lehet (tartós) vízszintes repülés, vagyis ilyen sebességeknél az autogíró süllyed. Az ilyen repülés pedig – különösen földközelben – veszélyes 18 II. Alapelrendezések Ebben a fejezetben a forgószárnyas repülőgépek (autogíró és helikopter) alapelrendezéseivel foglalkozunk. Itt, természetesen csak nagyvonalú áttekintésre nyílik mód, csak a legfontosabb ismereteket foglalhatjuk össze. Foglalkozzunk először az autogíróval. Ez a légijármű fajta valójában a legrégebbi, sikeresen repülő forgószárnyas repülőgép, létrehozása az 1920-as évek első felére esik Korábban és ekkoriban is rengeteg kísérleti forgószárnyas repülőgép épült, ezek közül emelkedik ki Cierva spanyol repülőmérnök „C-4”-es típusjelzésű autogírója, amelyet az első, valóban

sikeres forgószárnyas repülőnek tartunk. Az autogírók története hullámzó jelleget mutat, voltak „fényes” időszakai és voltak kevésbé fényes évek is. Napjainkra az autogíró leginkább egy- vagy kétszemélyes, könnyű, elsősorban sportrepülésre alkalmas légijárművé fejlődött. Ez – több más ok mellett – annak köszönhető, hogy a forgószárnyas repülőgépek alapvetően gazdaságtalanok: azonos gazdasági eredmény elérése merevszárnyú repülővel általában (jóval) olcsóbb lehet Ugyanakkor, a forgószárnyas repülővel történő repülés nagyon vonzó repülési mód, sajátos, másképp el nem érhető élményt nyújt Megjegyezzük, hogy a Cierva féle autogírók, a rotorlapátok beállítási szögének ciklikus szabályozásának alkalmazásával jelentősen hozzájárultak az autogíróknál sokkal bonyolultabb felépítésű helikopterek kifejlesztéséhez is. A fentebb említett, egy- vagy kétszemélyes, könnyű, elsősorban

sportrepülésre alkalmas autogíró alapelrendezése az I.4 ábrán vehető szemügyre A repülőgép fő részei: a törzs, a forgószárny, az oldalkormánnyal ellátott függőleges vezérsík, a vízszintes csillapító felület, a motor-légcsavar tolóerőt biztosító egység és a futómű. A fő szerkezeti részeket a törzs kapcsolja össze, illetve itt kap helyet a pilóta, az üzemanyag és itt találhatók a kezelő szervek és műszerek is II.1 ábra – Alacsony és magas súlypont helyzetű autogíró 19 II. Alapelrendezések Az autogíróknál megkülönböztetünk alacsony súlypont helyzetű és magas súlypont helyzetű elrendezést (II.1 ábra) Az alacsony súlypont helyzetű („Low profile”) elrendezés (II1 ábra, bal oldal) esetében a rotor-erő a súlypont előtt, a motor tolóereje pedig a súlypont felett hat. Ebben az esetben ez az elrendezés szükséges a nyomatéki egyensúlyhoz A motor-légcsavar elhelyezése szempontjából ezt az

elrendezést könnyebb kialakítani, ugyanakkor ez az elrendezés az állásszög szerint statikailag jelentős mértékben instabil lehet (Néhány esetben ilyen elrendezésű autogíróval, emiatt az elrendezés miatt is, tragikus kimenetelű baleset történt.) Ennél az elrendezésnél feltétlenül szükség van a vízszintes csillapító felületre. A magas súlypont helyzetű („High profile”) elrendezés esetében (II.1 ábra, jobb oldal) a rotor-erő a súlypont mögött, a motor tolóereje pedig a súlypont alatt hat. Ebben az esetben pedig ez szükséges a nyomatéki egyensúlyhoz. A motor-légcsavar elhelyezése szempontjából ezt az elrendezést nehezebb kialakítani, ugyanakkor ez az elrendezés az állásszög szerint statikailag kevésbé instabil, sőt, akár stabil is lehet. A mai autogírók szerkezete általában nem túl bonyolult, hiszen több típust házilag készítenek el – jóllehet egy biztonságos, jól működő rotor elkészítése nagyon komoly

szakértelmet és felszerelést igényel! (Ezért, a házi készítés esetén is, gyakran készen vásárolt rotort alkalmaznak.) A gyakorlatban is használható helikopterek megvalósítása az autogírónál majdnem 20 évvel később sikerült. Ennek legfőbb oka az, hogy a helikopterek szerkezete meglehetősen bonyolult – ezért megalkotásukhoz hosszas kísérletezésre volt szükség A helikopterek ugyanúgy gazdaságtalanok, mint az autogírók, azonban tudnak függőlegesen le- és felszállni, a talaj egy pontja felett lebegni. Ez olyan előny, ami miatt a helikoptereket mind a mai napig (és feltehetően még sokáig) fejlesztik, gyártják és alkalmazzák! Napjainkban a leginkább az egy (fő)rotoros, farokrotoros helikopter (II.2 ábra) terjedt el Ennél az elrendezésnél a főrotor forgatásához szükséges nyomaték reakciónyomatékát egy, a főtengely mögött (messze, hátul) elhelyezkedő, farokrotorral egyenlítjük ki A farokrotor lapátjainak beállítási

szögét a pilóta a lábkormányokkal (oldalkormányokkal) szabályozza – ezzel valósítható meg az útirányú kormányzás II.2 ábra – Egyrotoros, farokrotoros helikopter 20 II. Alapelrendezések E helikopter típusnak a törzse hátrafele nyúló, viszonylag hosszú faroktartóban végződik. Többnyire (de nem mindig) e faroktartó végén található egy, függőleges vezérsík és egy vízszintes csillapító felület is. A főrotor reakciónyomatékát kiegyenlítő és az útirányú kormányzást lehetővé tévő farokrotort gyakran a függőlege vezérsík hordozza Egy, egyszerű egyrotoros, farokrotoros kishelikopter főbb szerkezeti egységeit tüntettük fel a II.3 ábrán II.3 ábra – Egyrotoros, farokrotoros (kis) helikopter fő részei A vízszintes vezérsík fő funkciója a kereszttengely körüli forgó mozgás csillapítása – így van ez az autogíróknál és a helikoptereknél is. Fontos, hogy ez a hatás lebegésben nagyon csekély,

illetve a repülési sebesség növekedésével hatványozottan nő. A vízszintes vezérsíkot egyes esetekben teljesen mereven építik be, más esetekben a beépítési szöge a földön változtatható, illetve néhány esetben repülés közben a beállítási szöget a kollektív kormány kitérítése vezérli Ez főként a repülési üzemmódok (helikopterszerű repülési módok és az autorotáció) változtatása miatt lehet fontos A vízszintes vezérsíkot (vízszintes csillapító felületet) úgy igyekeznek elhelyezni, hogy vagy lehetőleg mindig, vagy lehetőleg minél ritkábban kerüljön bele a rotor által keltett légáramba, a rotor-sugárba. A „lehetőleg mindig” elhelyezés nagyjából a II3 vagy IV.8 ábra szerinti helyzet, amikor a lebegéstől a nagysebességű előrehaladó repülésig minden esetben eléri a rotor-sugár a vízszintes vezérsíkot A vízszintes vezérsík csak az autorotációban nincs a rotor utáni rotor-sugárban. A „lehetőleg

minél ritkábban” eset lehet például az „aszimmetrikus” elrendezésű vízszintes vezérsík, amikor a vízszintes csillapító felületet a függőleges vezérsík felső részére szerelik (pl. II2 ábra szerinti elrendezés) Ilyen helyzet, illetve elrendezés látható még a IV.9, IV10 és IV11 ábrán is Ebben az esetben a rotor-sugár csak az autorotációban éri el a vezérsíkot, a többi repülési helyzetben nem. Ez a kérdés azért fontos, mert a rotor-sugárba történő bekerülés vagy az onnan történő kikerülés során, a vezérsíkon keletkező erő jelentősen megváltozik, amely változásra a helikopter vezetésénél feltétlenül fel kell készülni, illetve ennek megfelelően kell a helikoptert kormányozni. A függőleges vezérsík általában többféle szerkezeti és aërodinamikai funkciót is betölt. A legfontosabb szerkezeti funkciók leolvashatók a II.2 és a II3 ábráról Aërodinamikai szempontból fontos, hogy – elegendően nagy

repülési sebességnél – legalább részben át- 21 II. Alapelrendezések veheti a farokrotor reakció nyomaték kiegyenlítő funkcióját, és – hasonlóan a vízszintes vezérsíkhoz – a függőleges tengely körüli lengéseket csillapítja. Az autogírókon és egyes helikoptereken (II.5 ábra) oldalkormánylapokat is kialakítanak, melyek a lábpedálokhoz kapcsolva az oldalkormányzást segítik – feltéve, hogy van elegendő repülési sebesség. A farokrészről (farokrotor és vezérsíkok) valamivel bővebben a IV. fejezetben lesz szó Régebben gyakori volt a dugattyús motor is, de napjainkban sok helikopterbe (gyakran két) gázturbinát építenek be. A hajtóműtől származó teljesítményt a főreduktorba vezetik be. A főreduktor a főtengelyt és a farokrotor meghajtó tengelyt forgatja meg, elnevezése pedig onnan származik, hogy a hajtómű általában igen magas fordulatszámát erősen (esetenként akár a század részére is) csökkenti. Ez

egyébként a veszteségek miatt, még nagyon jó hajtási hatásfok esetén is, jelentős hőtermeléssel jár – ezt a hőt pedig el kell vezetni, akkor is, ha a helikopter a földön, egy helyben áll. A főreduktoron egyébként általában több segédberendezés meghajtást is elhelyeznek A főtengelyhez csatlakozik a főrotor rotoragya, amely rotoragy a rotorlapátokat (forgószárny lapátokat) fogja össze. A főrotorok szerkezeti kialakításáról és működéséről részletesen a következő fejezetben lesz szó. A helikopter törzsében kap helyet a pilóta és a vezetéshez szükséges szerkezetek, műszerek. Ezen kívül itt foglalnak helyet az esetleges további személyek és a törzsben található az üzemanyag valamint a hasznos teher is Nem csak erre az elrendezésre, hanem a többi helikopter kialakításra is jellemző, hogy a kisebbek általában csúszótalppal készülnek, a nagyobbaknak viszont (esetenként behúzható) futóműve van. II.4 ábra – Az

egyesített vezérlő kar és fő részei A II.4 ábrán az egyesített vezérlő kar (EVK) látható Az egyesített vezérlő kar azért kapta ezt az elnevezést, mert a kollektív beállítási szöggel együtt, azzal szinkronban a hajtómű teljesítményét is vezérli, méghozzá úgy, hogy a főrotor fordulatszáma mindaddig állandó maradjon, amíg azt a pilóta külön meg nem változtatja. Kollektív kormányzásnak az összes rotorlapát minden helyzetében a beállítási szög azonos értékkel megnövelését vagy lecsökkentését nevezzük. Ezt a teljes kar felemelésével vagy lenyomásával érjük el Korrekció alkalmazása nélkül, az EVK fel- le mozgatása esetén a főrotor fordulatszáma tehát állandó marad. A fordulatszám változtatást korrekciónak is nevezik és a kollektív kar fogó-részének (a tulajdonképpeni fogantyúnak) az elforgatásával állítható be újabb fordulatszám, ami a kar fel- le mozgatástól nem függ. Az EVK tehát két

funkciót egyesít, ezért nevezzük egyesített vezérlő karnak. 22 II. Alapelrendezések A rotorlapátok mozgásában a rajtuk keletkező centrifugális erő rendkívüli fontossággal bír! Ezért a helikopterek főrotor fordulatszámnak repülés közben meglehetősen szűk határok között szabad csak változnia. A fordulatszámot rendszerint a névleges fordulatszám százalékában szokás mérni, illetve megadni (A határokat a konkrét típusleírásokban lehet megtalálni) Az egyrotoros, farokrotoros helikopter kormányzása nem túl egyszerű feladat, mivel a kormányok jelentős kölcsönhatással bírnak – az egyik kormány kitérítése miatt általában az összes többi kormány helyzetét is (megfelelő módon) változtatni kell. A helikopterek mozgásának is legalább hat, a merev testekre jellemző szabadságfoka (három elmozdulás és három elfordulás) van Ezeket a mozgásformákat és a hozzájuk rendelhető (leggyakoribb) kormányzási módokat a

II.1 Táblázatban soroltuk fel II.1 Táblázat – egyrotoros, farokrotoros helikopter kormányzása Szabadságfok Emelkedés / süllyedés Elmozdulás Előre / hátra Oldalra Bólintás Elfordulás Orsózás Legyező mozgás A kormányzás (leggyakoribb) módja A főrotor-erő nagyságának változtatása EVK-val; A főrotoron keletkező eredő erő előre / hátra billentése; A főrotoron keletkező eredő erő jobbra / balra billentése; A főrotoron keletkező eredő erő előre / hátra billentése; A főrotoron keletkező eredő erő jobbra / balra billentése; Főrotor reakció nyomaték és a farokrotor erő változtatása; A helikopterek kialakításának egy nagyon fontos kérdése a nyomatékkiegyenlítés. Ennek a farokrotor alkalmazása mellett, további fontos módja a több rotor alkalmazása. Nagy a jelentősége a koaxiálisnak nevezett rotor elrendezésnek, amikor két, azonos (geometriai) tengely körül, egymással ellenkező értelemben forgó rotort

alkalmaznak. Így az alsó és a felső rotor, alapesetben együtt már nem gyakorol a törzsre reakció nyomatékot. Az oldalkormányzás pedig a két rotor nyomatéki egyensúlyának megbontásával lehetséges: különböző kollektív lapátbeállítási szöget alkalmazva nyomatékkülönbség érhető el, ami a törzset a kívánt irányba fordítja A pilóta az oldalkormánnyal (ezek általában a pedálok) tehát eléri, hogy például a felső rotor lapátjainak nagyobb, az alsó rotor lapátjainak kisebb beállítási szöge legyen. Ekkor a felső rotor forgatásához nagyobb, az alsóéhoz kisebb nyomaték szükséges és a helikopter a főtengely körül, a felső rotor forgásirányával ellentétes értelemben elfordul. Eközben a felső rotoron megnő, az alsón csökken az emelőerő – az összegük azonban csak keveset változik. A kormányok egymásra hatása tehát ennél az elrendezésnél, több esetben jelentősen kisebb, mint az egyrotoros, farokrotoros

helikoptereknél. 23 II. Alapelrendezések A koaxiális rotorelrendezésű helikopterek főrotorjainak átmérője valamivel kisebb lehet, mint egy hasonló egyrotoros, farokrotoros helikopter főrotor átmérője. Ezért ezt az elrendezést választják, ha kis helyen több helikoptert kell elhelyezni. A koaxiális rotorelrendezésnek hátránya a bonyolult szerkezeti kialakítás, a rotorok állandó aërodinamikai kölcsönhatása és a többi elrendezéshez képest jelentős igénybevételek elviselésére alkalmas, tehát nehéz főtengely. II.5 ábra – Koaxiális rotorelrendezésű helikopter II.2 Táblázat – koaxiális rotor elrendezésű helikopter kormányzása Szabadságfok Emelkedés / süllyedés Elmozdulás Előre / hátra Oldalra Bólintás Elfordulás Orsózás Legyező mozgás A kormányzás (leggyakoribb) módja A főrotorok erejének, az erők nagyságának együttes változtatása – EVK-val; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes előre /

hátra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes előre / hátra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; Főrotor lapátozások kollektív szögének, ezzel reakció nyomatékának differenciált változtatása; Tekintsük a II.6 ábrán látható, egymás mögötti rotorelrendezésű helikoptert Ezt tandem rotorelrendezésnek is nevezik. Annak érdekében, hogy a hátsó rotor többnyire zavartalan légáramlásban működhessen, ezt a rotort az első rotornál magasabban helyezik el. Ez a II6 ábráról is látszik: a hátsó rotor tartó pilon magasabb, mint az első Ez az elrendezés azonban (pl. süllyedésnél) problémát is okozhat, amikor a hátsó rotor esetleg 24 II. Alapelrendezések mégiscsak belekerül az első rotor által megzavart áramlásba és ezért a hátsó rotoron keletkező erő lecsökken. II.6 ábra – Tandem

rotorelrendezésű helikopter A tandem rotorelrendezésű helikoptereket általában (nehéz) szállító helikopterként alkalmazzák. Erre a feladatra ezek a helikopterek azért (is) alkalmasak, mert a szóban forgó rotorelrendezés jelentős súlypont vándorlást engedhet meg. A nyomatékkiegyenlítés itt is az ellenkező forgásirányú rotorokkal történik. A koaxiális elrendezéshez hasonlóan, az oldalkormányzás az első és hátsó rotor nyomatékkülönbségével oldható meg – ekkor azonban járulékos bólintó mozgásra kell felkészülni, hiszen a nyomatékkal együtt az emelő erő is változik. II.3 Táblázat – tandem rotor elrendezésű helikopter kormányzása Szabadságfok Emelkedés / süllyedés Elmozdulás Előre / hátra Oldalra Bólintás Elfordulás Orsózás Legyező mozgás A kormányzás (leggyakoribb) módja A főrotorok erejének, az erők nagyságának együttes változtatása – EVK-val; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes

előre / hátra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő nagyságának differenciált szabályozása, vagy együttes előre / hátra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő különböző oldalra történő billentése; A következő típus az átmetsző rotoros helikopter (II.7 ábra; néha synchropternek is nevezik). Ennél a típusnál is két, ellenkező irányban forgó rotort alkalmaznak, de ezek a rotorok egymáshoz közel helyezkednek el, a gépszerkezettani forgástengelyeik széttartóak, kissé kifele billennek. Ezért ez az elrendezés előnyeit tekintve közel áll a koaxiális 25 II. Alapelrendezések elrendezéshez, miközben a rotor (két) főtengelyének nem kell túlságosan erősnek és ezért súlyosnak lennie. Ugyanakkor ennél az elrendezésnél – a lapátok lehető legnagyobb

elkülönítése miatt – leggyakrabban kétlapátos rotorokat alkalmaznak, miközben a koaxiális elrendezésnél, rotoronként legalább három lapátot találunk. II.7 ábra – Átmetsző rotoros helikopter A jelenleg működő, átmetsző rotoros helikopterek rotorlapátjain – a II.7 ábráról is láthatóan – szervo kormánylapokat alkalmaznak. Ilyen kormánylapokat másutt, jelenleg csak kísérleti rotorokon találhatunk. II.4 Táblázat – átmetsző rotoros helikopter kormányzása Szabadságfok Emelkedés / süllyedés Elmozdulás Előre / hátra Oldalra Bólintás Elfordulás Orsózás Legyező mozgás A kormányzás (leggyakoribb) módja A főrotorok erejének, az erők nagyságának együttes változtatása – EVK-val; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes előre / hátra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő nagyságának együttes előre / hátra billentése;

A főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; Főrotor lapátozások kollektív szögének, ezzel reakció nyomatékának differenciált változtatása; A széttartó tengelyek miatt a rotorok reakció nyomatékainak vektorai is széttartóak, vagyis nem párhuzamosak. Ezért teljes nyomatékkiegyenlítés soha nem jöhet létre, a két reakció nyomatéknak az összege mindig egy nem nulla nyomaték vektor lesz – ez látható a II.7 ábra jobb oldali két rész-ábráján Azt, hogy az eredő nyomaték orrnehéz vagy faroknehéz lesz-e, a főrotorok forgásiránya, illetve az ebből következő reakció nyomaté- 26 II. Alapelrendezések kok irányítása határozza meg. Az is belátható, hogy differenciált kollektív szög szabályozásnál – a fentiek miatt – járulékos orrnehéz vagy faroknehéz nyomaték keletkezik A legfontosabb elrendezések sorában, befejezésül foglalkozzunk az egymás melletti rotorelrendezésű helikopterrel. Ez

a II8 ábrán látható II.8 ábra – Egymás melletti rotorelrendezésű helikopter Ennél az elrendezésnél is két rotort láthatunk, illetve az ilyen helikopterek főrotorjainak nyomatékkiegyenlítése is az ellenkező forgásirány alkalmazásán alapszik. A II.8 ábrán látható elrendezés nem túlságosan gyakori, valójában az igen nagy helikopterek esetében alkalmazzák Az elrendezés előnye, hogy a tandem elrendezéssel szemben a két rotor egymásra hatása csak ritkán fordul elő További előny az, hogy a súlypont oldalirányban széles tartományban vándorolhat II.5 Táblázat – tandem rotor elrendezésű helikopter kormányzása Szabadságfok Emelkedés / süllyedés Elmozdulás Előre / hátra Oldalra Bólintás Elfordulás Orsózás Legyező mozgás A kormányzás (leggyakoribb) módja A főrotorok erejének, az erők nagyságának együttes változtatása – EVK-val; A főrotorokon keletkező eredő erő együttes előre / hátra billentése; A

főrotorokon keletkező eredő erő együttes jobbra / balra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő nagyságának együttes előre / hátra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő nagyságának differenciált szabályozása, vagy együttes jobbra / balra billentése; A főrotorokon keletkező eredő erő különböző, előre / hátra történő billentése vagy a főrotor lapátozások kollektív szögének, ezzel reakció nyomatékának differenciált változtatása; 27 II. Alapelrendezések Nem jön létre a helikopter rotorok reakciónyomatéka, ha a rotort a lapátokon elhelyezett propulziós erőt generáló szerkezetek tartják forgásban. Kísérletező helikopter építők időről időre fejlesztenek ilyen elrendezésű gépeket – ezek azonban a gyakorlatban nem igazán terjedtek el. A főrotor reakció nyomatékának kiegyenlítésére további, az eddigiektől különböző megoldások is léteznek – ezekkel azonban e jegyzetben nem

foglalkozunk Hasonlóképpen megemlítjük csak, hogy napjainkban erősen terjednek a kisméretű, ember nélküli légijárművek, közöttük a kis helikopterek is. Ezeknél gyakran alkalmaznak négy rotort, de vannak hat vagy nyolc rotorosak is – jóllehet ezek a rotorok inkább légcsavarok. Ezeknek, az ember nélküli légijárműveknek – idegen szóval „drón”-nak is nevezik őket – a működése és az irányítása az általában merevnek tekinthető rotorok (légcsavarok) által létrehozott erőn, illetve a hajtáskor keletkező reakció nyomatékon alapul. A legtöbb esetben ezt a légcsavarok meghajtó motorjának teljesítmény szabályozásával, lényegében a légcsavarok fordulatszám szabályozásával oldják meg Persze létezik klasszikus, „nagy” helikopterekhez hasonló szerkezet is. Ezekkel a légijárművekkel külön nem foglalkozunk, annál is inkább nem, mert ezekben a szerkezetekben általában igen fejlett és bonyolult elektronika működik

– ezért tanulmányozásukhoz a modern szabályozás elmélet mély ismerete is szükséges. 28 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A forgószárnyak – amint az elnevezésük is mutatja, szárnyak, melyek működésük közben forognak (is). Elvileg – és néha a gyakorlatban is – különböző forgószárnyakat valósítanak meg (pl Flettner rotor), de ezek leginkább érdekességnek tekinthetők Itt a leginkább elterjedt, autogíró és helikopter főrotorokkal és farokrotorokkal foglakozunk Kiemelten fontos leszögezni, hogy ezeknek a forgószárnyaknak a lapátjai csapkodó (azaz egy középhelyzethez képest fel- le) mozgást is végeznek! Ilyen, csapkodó mozgás a legegyszerűbbtől a legbonyolultabb típusig – valamilyen módon – mindig előáll. A forgószárnyaknál a rotorlapátokat egy rotoragy egyesíti, amelyet egy, ún. főtengelyre erősítenek Ezt a főtengelyt a helikoptereknél a beépített hajtómű, az

autogíróknál az egész rotort a hozzá áramló levegő forgatja. Működésük közben a lapátok a főtengely körül forgómozgást végeznek, de a helikopterrel, autogíróval együtt is mozognak, csapkodnak és, általában további mozgásokat is végeznek még. A fő- és farok-rotorok működésében figyelembe kell venni, hogy a légerők és nyomatékaik a lapát mozgásállapotának – és más jellemzőinek – függvényei, a mozgásállapotot viszont – egyéb tényezők mellett – a légerők és nyomatékaik határozzák meg. A későbbi vizsgálatokban tehát az aerodinamika, a dinamika és esetleg, ha nem merev rotorlapátot tekintünk, akkor a rugalmasságtan eredményeit is egyidejűleg kell alkalmazni. Ebben a fejezetben a működési módok fizikai jellemzésére kerül sor, a matematikai részletek ismertetése később következik. III.1 Tengelydöntés és a hintás rotoragy Először a legelterjedtebbnek tekinthető autogíró rotor, a kétlapátos,

hintás rotoraggyal ellátott (a „hinta” biztosítja a csapkodó mozgás lehetőségét), tengelydöntéssel kormányozott – szerkezeti szempontból talán a legegyszerűbb forgószárny – működését vizsgáljuk. A rotorlapátok tőrészét, ennél a rotor kialakításnál mereven rögzítik az agyhoz, vagyis a lapát nem tud a hossztengelye körül elfordulni. (Ezt a kialakítást egyes esetekben, nagyon kis helikoptereknél is alkalmazzák) Az autogírók bár eleinte nagyon ígéretes repülőgépeknek ígérkeztek, mégsem terjedtek el olyan mértékben, mint az egyhelyben lebegésre képes helikopterek. Az 1950-es évek közepétől kezdve azonban megjelentek a könnyű (ultrakönnyű) egy- és kétszemélyes autogírók, melyeket főképpen kedvtelésből való repülésre használtak. Ezeket az autogírókat leggyakrabban a III.1 ábrán látható, kétlapátos, hintás rotoraggyal ellátott, tengelydöntéssel kormányozott kivitelben készítették és készítik

napjainkban is. 29 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Legfeljebb, a III.1 ábrán látható, a pilóta előtt lévő, közvetlen kormány-tengely döntést lehetővé tevő kormány-kar helyett alkalmaznak a pilóta mögött elhelyezett kormányzó mechanizmust. A III.1 ábrán látható tehát az 1950-es évek második felére jellemző autogíró szerkezeti séma. (Példaként említhetjük a Bensen féle B7 vagy B8 típusú autogírót) Az ábrán vázolt szerkezet felső részén látható a rotor (más néven forgószárny) – ami a két (merevnek tekintett) rotorlapátból, az őket egyesítő hintás rotoragyból és a forgó főtengelyből áll. Ez az egység tehát forog (a forgástengely az ábrán jelölt főtengely), illetve a csapkodó csukló körül (kicsit) elforogva, csapkodó mozgást is végez. Az ábrán a főtengely gépszerkezettani tengelyét kormánytengelynek neveztük Ezt a kormánytengelyt billenti a pilóta az

előtte lévő, általában görbített kormány-karral előre-hátra a magassági kormányzáshoz, jobbra-balra pedig a csűrő-kormányzáshoz, illetve tetszőleges irányba, az éppen szükséges vagy szándékolt kormányzás létrehozásához. A billentést az ábrán szintén feltüntetett, kardán típusú csukló (vagy csuklók) teszik lehetővé Ezt a kardanikus csuklót többnyire két, egymásra merőleges tengely-csap beépítésével valósítják meg. III.1 ábra: Tengelydöntés, autogíró rotor esetében A rotorlapátok karcsú szárnyak, melyek – többek között – a főtengely körüli forgó mozgást végeznek. Az autogírók esetében ezt a forgó mozgást a rotorhoz alulról áramló levegő hozza létre, illetve tartja fenn. A rotorlapátok „V” állásban helyezkednek el, úgy, hogy a rotorlapátok-rotoragy egység súlypontja a hintás rotoragy billegését biztosító tengelyre (csapkodó csukló tengelye) essen. A rotorlapátok együtt úgy

billegnek, mint egy billenős hinta: ha az egyik lapát emelkedik, akkor a másik lefele mozdul. Ezt, a fel-le 30 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai mozgást nevezzük csapkodó mozgásnak. Végeredményben tehát, a rotorlapátok a főtengely körül forognak, csapkodó mozgást végeznek és együtt haladnak az autogíróval Amennyiben tekintetbe vennénk, hogy a rotorlapátok valójában rugalmasak, akkor a rugalmas mozgásokat is értelmezni kellene, illetve igényesebb vizsgálatokban számolni is kell velük. A III.1 ábráról látszik ugyan, de azért külön is leszögezzük, hogy a rotorlapátok – ennél a rotor típusnál – a hossztengelyük körül nem fordíthatók el, vagyis a beállítási szögük rögzített A későbbiekben tárgyalt összes többi típusnál lehetőséget biztosítanak a lapátoknak a hossztengely körüli elfordulásra, vagyis a beállítási szög szabályozására. Ebben a munkában gyakran

használjuk a beállítási szög fogalmát: ez valójában minden rotorlapát-metszet (profil) külön-külön tulajdonsága. Tekintsük egy-egy profil nulla felhajtóerő irányát és ennek az egyenesnek a forgássíkra eső, merőleges vetületét. (A forgássík a főtengely gépszerkezeti tengelyére merőleges sík) A beállítási szög e két egyenes között mérhető Az egész rotorlapát beállítási szöge alatt általában a tőprofil beállítási szögét értjük Merev rotorlapát esetén ezzel az egy beállítási szöggel az egész lapát minden profiljának beállítási szöge jellemezhető. A beállítási szög kézben tartható, általában szabályozható – a III1 ábrán látható kialakításnál éppenséggel állandó A beállítási szög mellett igen gyakran használjuk a rotorlapát-metszet (profil) állásszög fogalmát is. Ezt a metszet nulla felhajtóerő iránya és az eredő megfúvási sebesség metszetre merőleges összetevője között

mérjük Az állásszög sok tényezőtől függ: értékét a beállítási szög mellett a repülési állapot, a lapátok mozgásállapota és az indukált sebességmező is befolyásolja. E két szög szigorú megkülönböztetése nagyon fontos! A III.1 ábrán látható rotorlpátok-rotoragy-főtengely alkotta egység egy csapággyal csatlakozik az alatta lévő szerkezethez. A csapágy megengedi a főtengely körüli forgást, de megakadályozza a tengelyirányú elmozdulást, vagyis a főtengely foroghat, de nem csúszhat ki a csapágyból. Ez biztosítja a rotoron keletkező eredő erő (ennek egyik összetevője például a felhajtóerő) törzsre történő átadását A rotor alatti szerkezet kardáncsukló szerűen működik, biztosítja, hogy a főtengely (kormány-tengely) előre-hátra, jobbrabalra, illetve, általában tetszőleges irányba billenthető legyen Az autogírók és helikopterek előrehaladó repülése során a rotorlapátok sebességeloszlása

aszimmetrikus (III.10 ábra): tekintsük példaként az oldalsó helyzeteket, amikor a forgási és a haladási sebesség összeadódik (előrehaladó oldal), illetve az ezzel ellentétes oldalon a haladási sebesség kivonódik a forgási sebességből (hátrahaladó oldal). Az autogírók – és a helikopterek repülése során létrejön a csapkodó mozgás, mivel a rotorlapátok sebesség-eloszlása alapvetően aszimmetrikus. Fontos észrevenni, hogy a csapkodó mozgás lehetősége miatt a rotor-lapátvég-sík általában nem azonos a kormányzással beállított tengelyre (kormánytengelyre) merőleges síkkal. Ez azért fontos, mert a rotoron keletkező eredő légerő a rotorlapátvégek pályája által meghatározott síkra (elnevezése: rotor-lapátvég-sík - RLVS) jó közelítéssel merőleges, tehát a kormányzást a lapátvég-sík billentésével lehet megoldani. A pilóta kezében, a 31 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai

III.1 ábra szerinti esetben éppenséggel a kormány-kar van, ezt billenti a kívánt irányba A következőkben azt kell megmutatnunk, hogy a kormánytengely billentése a lapátvégsík megfelelő billenését eredményezi, vagyis ezen a módon lehetséges a kormányzás. Vizsgáljuk példaként a III.1 ábrán éppen látható helyzetet Ebben a pillanatban a kormány-kar előre-hátra mozdítása (a magassági kormányzás) semmilyen hatást sem okoz, mert a csapkodó csukló (jól csapágyazott) tengelye, (a súrlódástól eltekintünk) nem ad át nyomatékot. A csűrőkormányzás viszont éppen ebben a helyzetben működik: a jobbra-balra kitérített kormány-kar megváltoztatja az első és a hátsó helyzetű rotorlapát beállítási szögét (az egyikét növeli, a másikét csökkenti). Ezzel az alapérték feletti, járulékos aërodinamikai nyomatékot kelt, amelynek maximuma / minimuma elöl, illetve hátul van. Itt csak egyszerű szimmetria okra hivatkozva mondjuk ki,

hogy a járulékos nyomaték hatására előálló kitérés maximuma / minimuma a nyomaték szélső érétkek között középen – tehát pont oldalt (az előre, ill. a hátra haladó lapátnál) van Vagyis a csűrőkormány valóban működik: az oldalt kitérített kormány-kar hatására a rotor-lapátvég-sík valóban oldalra billen! A magassági kormány működése hasonló gondolatmenettel magyarázható, de a vizsgálatot a III.1 ábrán látható rotorlapát helyzethez képest 90 fokkal elforgatott pozícióból kell kezdeni. Ebben a helyzetben éppen a csűrőkormányzásnak (a kormány-kar jobbrabalra kitérítésének) nincs hatása Viszont a magassági kormányzás (a kormány-kar előrehátra kitérítése) következtében az oldalt lévő lapátok (az előre, illetve a hátra haladó lapát – ilyen, előrehaladó helyzetű lapát látható a III2 ábrán) beállítási szöge megnő, illetve lecsökken és ezzel járulékos aërodinamikai nyomatékot hozunk létre

E járulékos aërodinamikai nyomaték hatására a csapkodás maximuma vagy minimuma elöl vagy hátul alakul ki, azaz rotort előre-hátra igyekszik billenteni. Ebből már következik, hogy a magassági kormányzás is működik. Ezek alapján kimondható, hogy a rotor-lapátvég-sík jó közelítéssel (némi késéssel) együtt billen a kormány-tengellyel, illetve a kormány-karral. Vagyis a rotor-lapátvég-sík a kormány-karral billenthető és ezzel az autogíró (kis helikopter) kormányozható. Nagyobb gépek esetén a közvetlen tengelydöntés már nyilvánvalóan nem működik! Egy gondolatot még végiggondolhatunk: tekintsük példaként a csűrőkormányzást. A rotor a főtengelye körül forog – ezért ez a forgási szögsebességének az iránya. Másrészt a csűréskor, a rotoron előre-hátra billentő nyomaték keletkezik – ennek a nyomatéknak a vektora a kereszttengely irányába mutat. A két vektor vektori szorzata minkét szorzótényezőre

merőlegesen, tehát a hossztengely irányába mutat Ez pedig éppen a – preceszszió jelenségének az alapján – a csűréshez szükséges, hossztengely körüli billenést jelenti A magassági kormányzáskor a fenti vektori szorzás értelemszerű változtatásával, eredményül éppen a kereszttengely körüli billenést kapjuk. 32 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Rendkívül fontos megjegyzés, hogy a III.1 és a III2 ábra szerinti esetben a rotorlapát csapkodó mozgása rezonancia mozgás. Azért van ez így, mert a gerjesztés körfrekvenciája azonos a csapkodó mozgás körfrekvenciájával – ugyanis mindkét körfrekvencia éppen a forgás körfrekvenciájával egyenlő Ez a mozgástípus tehát (hogy az amplitúdója korlátos maradjon) megfelelő csillapítást igényel. Ilyen az aërodinamikai csillapítás, de ebben segít a lapátok „V” beállítása is. (A további esetekben – pl III3 ábra, stb, a csapkodó

mozgás már csak közel rezonancia mozgás lesz) A III.2 ábrán egy, hintás rotoragyat ábrázoltunk – ennek a működése sok tekintetben nagyon hasonló a tengelydöntéses kialakítású rotoragy működéséhez, de éppen ennek érdekében a szerkezeti kialakítás egészen más. Ennél a rotor típusnál ugyanis a főtengely nem dönthető, a légijárműhöz képest csak foroghat, további szabadságfoka nincs! III.2 ábra: Hintás rotoraggyal ellátott forgószárny szerkezeti vázlata A rotorlapátok tövénél viszont található olyan csapágyazás, amely megengedi a lapátok hossztengely körüli elfordulását – ezzel téve lehetővé a beállítási szög szabályozást. A rotorlapát a III.2 ábrán látható módon, két karral csatlakozik a beállítási szög szabályozó tárcsához Fontos: a rotorlapát vezérlési pontja („P”) pontosan 90 fokkal van a rotorlapát előtt – a sietési szög tehát éppen 900. (Másik oldalról, néha úgy is mondják,

hogy a rotorlapát 90 fokkal marad le, ennyit késik.) Arról van szó, hogy a rotorlapát a vezérlést bizonyos lemaradással követi – illetve ezért a vezérlést korábban kell elindítani. A III.1 és III2 ábra szerinti esetben ez éppen 90 fok, a további esetekben (III3, III5 stb ábra) kisebb a késés, ezért a sietési szög is kisebb lesz, mint 90 fok. 33 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A III.2 ábrán látható beállítási szög szabályozó tárcsa egy belső, nem forgó részből és egy külső, a rotorral együttforgó gyűrűből áll. Az álló rész közepén egy csőtengely található, melynek belsejében forog a főtengely A csőtengelyhez kardanikus csapágyazással csatlakozik a beállítási szög szabályozó tárcsa belső gyűrűje. Érdemes ezt a részkialakítást a III3 és III5 ábrán is szemügyre venni – ez utóbbi ábrákon látható, hogy a főtengely valójában két, nem forgó csőtengelyben

forog. A belső csőtengely biztosítja a főtengely csapágyazását és ezt a belső csőtengelyt lehet a törzshöz rögzíteni. Másrészt a belső csőtengely külső felülete és a külső csőtengely belső felülete bordázott, ez a megoldás teszi lehetővé, hogy a törzshöz rögzített belső csőtengelyen a külső csőtengely fel- le mozogjon. Ez a fel- le mozgás a kollektív (együttes) beállítási szög szabályozás egyik, alapvető részlete. A kardáncsuklókat befoglaló, belső, nem forgó gyűrű és a rotorral együtt forgó külső gyűrű együtt egy nagy golyóscsapágynak is tekinthető – ez biztosítja, hogy a külső gyűrű a rotorral együtt foroghasson, miközben úgy billen és emelkedik (süllyed), mint a belső gyűrű. A III2 ábrán nem tüntettük fel, de a III3 és III5 ábrán látszik az a külön menesztő elem, ami a külső gyűrű laptokkal való együttforgását biztosítja A beállítási szög szabályozó tárcsát a középen

elhelyezkedő csőtengely fel- le mozgatásával önmagával párhuzamos helyzetekbe mozdíthatjuk. Ezáltal az összes rotorlapát minden helyzetében azonos értékkel megnövelhető vagy lecsökkenthető a beállítási szög. Ezt nevezzük a beállítási szög kollektív (együttes) szabályozásának. A kollektív beállítási szög szabályozására az ún. egyesített vezérlő kar (kollektív kormány vagy másképpen EVK – II.4 ábra) szolgál, amelyet a pilóta általában a bal kezével működtet (mivel jobb kézzel a botkormányt fogja). A kollektív (együttes) szögváltoztatás első közelítésben az eredő erő nagyságának változtatására (növelésre vagy csökkentésre) szolgál. A beállítási szög szabályozó tárcsa a csőtengelyhez kardán típusú csuklóval (csapágygyal) csatlakozik, ezért a síkja tetszőleges szögbe billenthető. A III2, III3 vagy a III5 ábrán vázolt beállítási szög szabályozó tárcsa külső gyűrűje a rotorral

együtt forog, a belső gyűrű viszont nem forog, illetve ehhez a nem forgó, belső gyűrűhöz csatlakozik a botkormány, két helyen. Így a botkormánnyal a beállítási szög szabályozó tárcsa (a gépszerkezettani határok között) tetszőleges helyzetbe billenthető A III.2 ábrán feltüntettük az xMR − yMR − z MR főrotor koordináta rendszert és az ψ MR azimút szöget is. Az xMR tengely a főtengelytől hátrafele mutat, a zMR tengely a főtengely egyenesén van és az yMR tengely az előző két tengellyel jobbrendszert alkot. A rotorlapátok a főtengely körül keringő mozgást végeznek – ez indokolja az „azimút szög” elnevezést. Az azimút szög értéke nulla, ha a rotorlapát hossztengelye az xMR tengellyel esik egybe, azaz hátul (a faroktartó felett) van A III2 ábrán a koordináta rendszer szerint pozitív irányba forgó, 90 fokos azimút szögnél lévő, előrehaladó lapát látható A III2 ábrán feltüntettük továbbá a 0 fokot, ami

hátsó helyzetnek, a 180 fokot, ami első helyzetnek és a 270 fokot is, ami hátrahaladó rotorlapát helyzetnek felel meg. 34 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Vizsgáljuk meg példaként először a III.2 ábrán látható „Bot előre (le)” kormánymozdítás hatását Ebben az esetben az éppen látható, előrehaladó helyzetű rotorlapát beállítási szöge lecsökken, illetve a vele átellenes helyzetben, a hátrahaladó lapát beállítási szöge megnő. Ezért járulékos aërodinamikai nyomaték keletkezik – ennek legkisebb értéke a ψ MR = 900 -os, előrehaladó helyzetben, a legnagyobb értéke pedig a ψ MR = 2700 -os, hátrahaladó helyzetben jön létre. Ennek megfelelően, a lapát a legalacsonyabb pozícióját elöl (ψ MR = 1800 ), legmagasabb pozícióját hátul (ψ MR = 00 = 3600 ) éri el. Végeredményben a rotor-lapátvég-sík (RLVS) előre billen. Ez pontosan az a hatás, amit el kívántunk érni

Illetve a III.1 ábra kapcsán is, lényegében ugyanezt a magyarázatot adtuk! A „Bot hátra (fel)” eset – a fenti megfontolás értelemszerű alkalmazásával – a rotorlapátvég-sík hátrabillenését eredményezi. Végiggondolva megállapíthatjuk, hogy a csűrőkormányzás is („Bot jobbra (fel)” és „Bot balra (le)”) működik. Nagyon fontos leszögezni, hogy ha a beállítási szög szabályozó tárcsa valamely pontját megemeljük (vagy leengedjük), vagyis a tárcsát elbillentjük, akkor ezt a változást a rotor-lapátvég-sík (közelítőleg) követi. Egyszerűen, de szemléletesen fogalmazva azt mondhatjuk, hogy a rotoron keletkező eredő erő (közelítőleg) a botkormány irányába mutat Ezzel beláttuk, hogy ez a rotor típus – amit egyébként általában az egyszerűbb, kisebb helikoptereken alkalmaznak – lényegében ugyanúgy működik, mint a tengelydöntés. És ez a további esetekben is igaz lesz: az ezután ismertetendő rotor

szerkezetek is mind, a csak forgó, de egyébként rögzített főtengely alkalmazása mellett a rotoron keletkező eredő erő megfelelő billentését teszik lehetővé. Az eredő erő billenését a rotorkúp billenésével szokás összekapcsolni vagy néha helyettesíteni is. Ez megfelelő eljárás, mivel korábban már kimondtuk, hogy az eredő rotorerő, jó közelítéssel a rotor-lapátvég-síkra merőleges. III.2 Csuklós rotoragy Ebben a pontban a leginkább elterjedt, csuklós rotoraggyal ellátott főrotor működését mutatjuk be. Ez a forgószárny típus általában a főtengelyre erősített rotoragyból, illetve az agyhoz csatlakoztatott rotorlapátokból és azok vezérlő szerkezetéből áll – a III.3 és a III.5 ábrán az egyik legelterjedtebben alkalmazott, háromlapátos, csuklós rotoraggyal ellátott, beállítási szög szabályozó tárcsával vezérelt lapátozású, „klasszikus” rotor és a vezérlő rendszere látható. A III3 ábrán balra

forgó, tehát negatív azimút szögekkel jellemezhető forgású, a III5 ábrán viszont jobbra forgó, tehát pozitív azimút szögekkel jellemezhető forgású rotor látható A csuklós rotoragy azt jelenti, hogy a lapát hossztengelye körüli elfordulást lehetővé tévő csapágy (ilyen nincs a III.1 ábrán, de már van a III2 ábrán) mellett csapkodó csuklót és matató csuklót is kialakítanak A csapkodó csukló megengedi, hogy a rotorlapát 35 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai fel-le csaphasson és ezt a mozgást a lapátra ható centrifugális erő, a légerő és a lapát súlyereje határozza meg. A csapkodó csukló tehát egy csapágy, ahol – a súrlódástól eltekintve – nyomaték nem keletkezik (de nyíróerő létrejön!) A csapkodó csuklót az angol nyelvű szakirodalomban gyakran „delta csukló”-nak is nevezik. A teljesség kedvéért megjegyzendő, hogy a csapkodó mozgást általában két ütköző

(fel- és lecsapást korlátozó) határolja – ezeken az ütközőkön azonban, normál működés közben nem ül fel a rotorlapát. Az álló rotor esetében azonban a lapátok a lecsapást korlátozó ütközőn felülnek, ez akadályozza meg, hogy az álló lapátok a talajon támaszkodjanak fel A csapkodó mozgásról részletesebben a későbbiekben lesz szó Csak megjegyezzük, hogy a csapkodó csuklót néha vízszintes tengelyű csuklónak is nevezik, mivel ennek a csuklónak a tengelye, több esetben közel vízszintes lehet. III.3 ábra: Balra forgó, keverőhimbás vezérlésű, csuklós rotoragy Érdemes már itt észrevenni, hogy a III.3 és a III5 ábrán kialakított mechanizmus működése következtében (a III.3 ábra alsó, jobboldali rész ábrája szerint) a felcsapó lapát beállítási szöge csökken, a lecsapóé nő (hacsak van pozitív δ szög). Ezt, a beállítási szögváltozásból következő aërodinamikai csillapítást – ami jelentősen

hozzájárul ahhoz, hogy a csapkodó mozgás korlátos amplitúdójú maradjon – csapkodás kompenzálásnak nevezzük. A legtöbb csuklós rotoragyon van csapkodás kompenzáció 36 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Azt is fontos meglátni, hogy a csapkodó csukló tengelye – általában – egy bizonyos távolságra van a geometriai forgástengelytől. Ezt nevezzük a csapkodó csukló széthelyezésének Ennek hatása van a rotorlapát, illetve ezen keresztül az egész forgószárnyas repülőgép mozgására – a részletekkel később foglalkozunk A csapkodó csukló kialakítása és ezzel a csapkodás csillapítás megvalósítása olyan módon is lehetséges, hogy a csapkodó csukló tengelye maga legyen ferde. Ezzel a kialakítási móddal leggyakrabban a farokrotoroknál találkozhatunk Belátható, hogy a III4 ábra szerint kialakított farokrotor lapátjainak csapkodó mozgása – a ferde csapkodó csukló tengely miatt

– olyan, hogy csapkodó mozgás maga után vonja a beállítási szög egyidejű változását is. A III4 ábra szerinti elrendezés esetén a csapkodásból származó beállítási szög változás aërodinamikai csillapító nyomatékot ad. III.4 ábra: Farokrotor – rotoragy A farokrotoroknál a δ -szög gyakran 45 fok körüli értékkel bír – ez elegendően nagymértékű csillapítást jelent, de erre szükség is van, hiszen a farokrotor lapát rendszerint a függőleges vezérsíkhoz közel fut. Egyébként, a farokrotorok lapátjai csak kollektív beállítási szög szabályozással rendelkeznek, ciklikus szabályozás itt nincs A III4 ábra szerinti szerkezet esetében a beállítási szög szabályozó rudak csatlakozási pontjai nagyjából a csapkodó csukló tengelyén helyezkednek el – ezért az oldalkormány kitérítés, azaz a kollektív szög szabályozása nem (vagy csak nagyon kevéssé) kapcsolódik a csapkodó mozgással. Ez a farokrotor agy

kialakítás néhány vonatkozásban erősen hasonlít a hintás rotoragyak (pl. III2 ábra) felépítésére – más vonatkozásokban persze különbözik attól A matató csukló (a csapkodó csuklóhoz hasonló kivitelű, mozgáshatárolókkal ellátott csapágy) megengedi, hogy a lapátok, forgás közben, egy középhelyzethez képest kicsit előre siessenek, vagy hátrébb maradjanak. Ezt, a matató mozgást is a lapátra ható, külső erők határozzák meg. Nagyon fontos hangsúlyozni, hogy sem a III3 sem a III5 ábrán nem látható, az a III.6 ábrán már feltüntetett csillapító elem, amivel a matató mozgást – külön – csillapítani kell. Ilyen csillapító lényegében minden csuklós rotoragyon megtalálható Megjegyezzük, hogy a matató csuklót néha függőleges tengelyű csuklónak is nevezik, mivel ennek a csuklónak a tengelye, több esetben közel függőleges lehet, illetve ennek a csuklónak az angol nyelvű szakirodalombeli elnevezése gyakran „ α

csukló”. 37 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A rotorlapátok beállítási szöge a matató mozgás miatt is változik – ezt a változást azonban viszonylagos kicsisége miatt gyakran elhanyagolják. Szigorúan véve a csapkodó és a matató mozgás között is létezik a szerkezeti kialakításból következő kapcsolódás – általában ez is kicsi, ezért többnyire, szintén elhanyagolják. Egyes rotoroknál a csapkodó és a matató csuklót egyetlen csuklóban egyesítik (például szférikus elasztomer csapágyból kialakított csapkodó-matató csukló). Más esetekben a konkrét csuklókat rugalmas szerkezeti részek pótolják, un. kvázi-csukló kialakulását téve lehetővé. III.5 ábra: Háromlapátos, csuklós rotoraggyal ellátott forgószárny szerkezeti vázlata A rotorlapátok mozgását a szerkezeti kialakításon túl a rájuk ható, külső erők, illetve ezek nyomatéka határozza meg. A mozgás

szabályozására a beállítási szög változtatása szolgál – ezt a szöget a pilóta a beállítási szög szabályozó rudakkal, vagy más elnevezéssel, dinamikus rudakkal változtatja. Fontos megjegyezni, hogy a beállítási szög a rotorlapát metszetek állásszögére gyakorol hatást és így a légerők változtatásán keresztül fejti ki a hatását. De nagyon fontos leszögezni, hogy a beállítási szög nem azonos az állásszöggel! Illetve azt sem szabad szem elől téveszteni, hogy a beállítás szög – éppen a csapkodás kompenzáció miatt – függvénye a rotorlapát aktuális helyzetének is. A dinamikus rudak törése, tönkremenetele egyébként – sok, más szerkezeti elemhez hasonlóan – a rotor rendeltetésszerű működésének a végét jelenti. Napjainkban változtatható hoszszúságú dinamikus rudakkal is kísérleteznek – ezt azonban jelentősen nehezíti, hogy ezek a rudak a rotorral együttforgó rendszerben kell, hogy működjenek.

38 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A kormányzást megvalósító mechanizmust először a III.3 ábra alapján érdemes vizsgálni, mivel itt un keverőhimbás rendszert találunk (Ilyen, keverőhimba a III5 ábrán nincs.) A keverőhimba azt jelenti, hogy a magassági és a csűrőkormányzás mechanizmusának megfelelő forgáspontját a kollektív kormánnyal mozgatott csőtengelyen alakítják ki. Ezáltal elérhető, hogy a kollektív kormány kitérítése nem hozza magával a magassági vagy a csűrőkormány kitérését. Ez pedig igazán fontos: a III5 ábrán látható esetben – keverőhimba híján – rendkívül nehezen, vagy egyáltalán nem kezelhető kormány kapcsolódások állnak elő. Ezért szinte minden helikopteren keverőhimbás elrendezést találunk A kormányzás egyébként az együttes (kollektív), illetve ciklikus beállítási szög szabályozást jelenti, amivel például a III.2 ábra kapcsán már

foglalkoztunk Igen lényeges, hogy a III.2 ábrán vázolt esetben a δ szög értéke nulla, itt tehát nincs csapkodás kompenzáció Általában azonban, a legalább háromlapátos, csuklós aggyal kialakított rotorok esetében van pozitív δ szög, ami a csapkodás kompenzálás léte mellett azt jelenti, hogy a kormányzásban a fáziseltolás már nem 90 fok. Azzal, hogy a δ szög konkrétan mekkora legyen, a későbbiekben foglalkozunk A III.5 ábrán – az oldalkormányzástól eltekintve – egy teljes rendszer látható, a kormányzás a botkormánytól, illetve az egyesített vezérlőkartól (EVK – II4 ábra) a rotorlapátokig követhető nyomon. Az egyesített vezérlő kar egyébként azért kapta ezt az elnevezést, mert a kollektív beállítási szöggel együtt, azzal szinkronban a hajtómű teljesítményét is vezérli, méghozzá általában úgy, hogy a főrotor fordulatszáma mindaddig állandó maradjon, amíg azt a pilóta külön (a korrekcióval) meg

nem változtatja. A III.5 ábra bal, felső részén három al-ábra látható: ezek azt mutatják, hogy a stilizált beállítási szög szabályozó tárcsa hogyan mozdul el a botkormány előre-hátra, jobbrabalra történő kitérítése, illetőleg az egyesített vezérlő kar elmozdítása esetén. A rotorkúp egyébként – bizonyos késéssel – követi a beállítás szög szabályozó tárcsa billenését. A kormányzás, vagyis az eredő erő nagyságának és irányának szabályozása tehát így oldható meg. A rotorlapátok mozgását a későbbiekben általában merevnek feltételezett rotorlapáthoz mereven rögzített koordináta rendszerben vizsgáljuk. Ebben a rendszerben a lapátok mozgását a centrifugális erő, az emelő erő, az ellenállás és a súlyerő valamint a perdület-megmaradás elvére épülő nyomatéki (vektor, differenciál) egyenlet kormányozza. A szakirodalomban gyakran felbukkan ebben a csoportban a Coriolis erő is. A Coriolis féle,

tehetetlenségi erő akkor jön létre, ha van Coriolis gyorsulás A merevnek feltételezett lapáthoz mereven rögzített koordináta rendszerben azonban a lapát sebessége zérus, itt tehát Coriolis gyorsulás nincs A mi vizsgálatunkban a Coriolis gyorsulásnak megfelelő hatás a nyomatéki egyenletben jelenik meg Más, külső koordináta rendszert választva, természetesen adódik ez az erő, viszont ott a nyomatéki egyenlet is különböző lesz, végeredményben azonban helyes levezetéssel azonos végeredményre jutunk! 39 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A III.6 ábrán feltüntettük a mi általunk választott tárgyalásmód esetén tekintetbe veendő erőket – meglehetősen nagyvonalú formában A III6 ábráról az erők egymáshoz viszonyított közelítő nagysága is megítélhető, azaz a legnagyobb a centrifugális erő, ennél jelentősen kisebb az emelő erő és az előbbiekhez képest, általában kifejezetten

kicsi az ellenállás és a súlyerő. (Legtöbbször a rotorlapát súlyerejével nem is számolunk) A csuklós bekötésű rotorlapát ezen erők eredőjének irányába igyekszik beállni, vagyis a lapát hossztengelye valamelyest felfele és a forgásirányhoz képest kissé hátrafele irányul. Ezért a rotorlapátok általában a forgássíkra merőleges sík felett, közelítőleg egy kúp palástja mentén mozognak. Illetve – mint azt már korábban is kifejtettük – a rotorlapát vége a rotorkúpot lezáró, közelítőleg síkfelületen, a rotor-lapátvég-síkon fut. III.6 ábra: A rotorlapátok mozgása A III.7 ábra bal oldalán a csapkodó mozgás és az azt jellemző csapkodási szög látható Ebben a mozgásban a legfontosabb a centrifugális erő ( C ), ez az erő korlátozza a lapát fel- vagy lecsapását. Éppen ezért rendkívül fontos, hogy a forgószárny fordulatszáma ne csökkenjen le túlságosan, mivel ez túlzott csapkodó mozgáshoz vezet!

Nyilván a fordulatszám túlzott növekedése sem engedhető meg, mivel az szilárdsági problémákhoz vezetne. Ezért is a kollektív kar, másképpen az egyesített vezérlő kar (EVK) helyzetének változtatása – a pilóta munkáját megkönnyítendő – a hajtóművet is vezérli, úgy, hogy korrekció alkalmazása nélkül a fordulatszám ne változzon. A III.7 ábra jobb oldalán a matatás és a matatási szög látható Ebben az esetben a rotorlapát helyzetének meghatározásában a centrifugális ( C ) és a forgást akadályozó, ellenállás erő ( Q ) is fontos szerepet kap. A matató csukló nyomatékot gyakorlatilag nem ad át, ezért a rotorlapátok általában a sugárirányú helyzethez képest kissé lemaradva keringenek a főtengely körül. A lemaradás miatt a centrifugális erőnek előre (forgásirányban) forgató nyomatéka keletkezik A dinamikus hatásokat elhanyagolva azt mondhatjuk, hogy ez az előre forgató nyomaték egyenlíti ki a forgást

akadályozó erő miatt keletkező, lemaradást növelő nyomatékot Mivel a forgást akadályozó erő általában (jelentősen) kisebb, mint az emelő erő ( T ), azért a matatási szög rendszerint kisebb, mint a csapkodási szög. 40 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai III.7 ábra: A csapkodó és a matató mozgás Egyes rotoragyak kialakításánál figyelembe veszik a fenti lemaradást és a csapkodó csuklót úgy alakítják ki, hogy a tengelye az átlagos lemaradási helyzetet jellemző rotorlapát tengelyvonalra legyen merőleges – III.8 ábra III.8 ábra: Csapkodó csukló beépítése döntött helyzetben A III.9 ábrán, összefoglaló áttekintésként négy rotoragy típus látható Véleményünk szerint ezek a legfontosabb típusok. Fontos észrevenni, hogy a rotorlapátok főtengely körüli keringő, csapkodó és matató mozgása, különböző szerkezeti elemek révén ugyan, de majdnem mindegyik típusnál

létrejön. Az első a hintás, vagy másképpen félmerevnek nevezett rotoragy. Itt a csapkodó mozgás mellett a beállítási szög szabályozására biztosítanak lehetőséget. Ennél a típusnál a két lapát egy egységet képez, ennek az egységnek a súlypontja (elvileg) a csapkodó csukló tengelyén van – ezért ebben az esetben a csapkodó mozgás nem idéz elő matató mozgást. Ennek az elrendezésnek, ami szerint a lapátok közös súlypontja mindig a forgástengelyen van, számos előnye van – például az, hogy a rotorról a főtengelyre átadott igénybevétel kicsi, ezért könnyű főtengely készíthető. Jelentős hátrány viszont, hogy szemben a három és többlapátos rotorokkal, a kétlapátos rotorokon keletkező periodikus 41 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai erők egy körülfordulásra számolt eredője nem lesz nulla – ez rezgést, vibrációt idéz elő. Hasonlóképpen nagyon jelentős hátrány,

hogy nulla vagy negatív „g”-vel történő repüléskor rendkívül labilissá válik a helikopter – ebből számos baleset következett már, jóllehet ezt a repülési állapotot szigorúan tiltják. Az agytípust a III1 és III2 ábrán vázoltuk, speciális változatát a III.4 ábrán tüntettük fel III.9 ábra: Rotoragy típusok A felülről második rész ábrán a klasszikus, csuklós rotoragy látható. Ezt az agy-típust (pl. III3, III5, III6, III7 és III8 ábra) már részletesen bemutattuk Általában, a hintás rotoragy kivételével, az összes további típus működésének vizsgálatát is (közel) erre a típusra vezetik vissza. A felülről harmadik rész ábrán a merev, csukló nélküli rotoragy látható. Ennél a kialakításnál csak a lapát hossztengely körüli elfordulását, ezzel a beállítási szög szabályozását lehetővé tévő csapágyat alkalmaznak A rotorok működésében a csapkodó mozgás elkerülhetetlenül létrejön – ebben

az esetben a csapkodásra a lapát rugalmassága nyit lehetőséget. A merev kialakítás (a csuklók hiánya) miatt, a csapkodással szükségszerűen együtt járó matató mozgás, amit szintén a lapát rugalmas deformációja tesz lehetővé, a lapátbekötés környezetében igen nagy igénybevételek keletkezéséhez vezet. Ez nagyon 42 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai igényes szerkezetet követel! A kialakítás előnye, hogy az ilyen rotorral felszerelt helikopter igen mozgékony, ami bizonyos repülési feladatok esetén rendkívül jelentős előny. Az alsó rész ábrán a csapágy nélküli, vagy rugalmas rotoragy látható. Itt a csuklók és csapágyak szerepét a rotoragy részét képező, rugalmas elemek deformációja veszi át. Ezek a rugalmas elemek modern szerkezeti anyagokból készülhetnek – a III.9 ábrán látható rotoragyak közül, ezért is ez az agy-típus tekinthető a legmodernebbnek A rugalmas elemek

deformációja alapján kvázi csuklókat szokás definiálni és ezzel ennek a típusnak a működését is a klasszikus csuklós rotoragy működésére szokták visszavezetni, azzal a bővítéssel, hogy a csuklókban, a deformációkkal rugalmas visszatérítő nyomaték jár együtt. Érdemes észrevenni, hogy a harmadik és negyedik esetben a beállítási szög szabályozó rúd (dinamikus rúd) nem a rotorlapát előtt, hanem mögötte helyezkedik el. Ugyanakkor a csatlakozási pont a csapkodó csukló sugaránál kisebb sugáron (beljebb) helyezkedik el Ezzel éppen a megfelelő, csapkodás kompenzáció érhető el Illetve a beljebb elhelyezkedő vezérlő rudak kompaktabb kialakítást tesznek lehetővé – ezzel a rotoragy aërodinamikai kialakítása lesz kedvezőbb. III.3 A rotorok működése A III.10 ábrán egy, (definíció szerint) pozitív forgásirányú rotorral ellátott helikopter felülnézete látható. A helikopterek és autogírók előrehaladó repülése

során a rotor körül sajátos sebességmező alakul ki – e sebességeket tüntettük fel vázlatosan az ábrán. Kiegészítésként megjegyezzük, hogy az III10 ábrán vázolt egyrotoros helikopteren, a főrotor reakciónyomatékát kiegyenlítendő, általában farokrotort alkalmaznak. A farokrotor sok tekintetben hasonló a főrotorhoz – az átmérője azonban sokkal kisebb (a főrotor átmérőjének közelítőleg a hatoda-hetede). Tekintsük a III.10 ábra szerinti előrehaladó lapátot: ennél a lapátnál a repülési és a forgásból származó kerületi sebesség összeadódik – így nagy eredő sebesség alakul ki. Ezzel szemben, a hátrahaladó lapát esetében a repülési sebességet ki kell vonni a kerületi sebességből – így meglehetősen kis eredő sebesség adódik. Sőt, az ábra szerinti területen, a belső sugaraknál egy olyan (színezéssel jelzett) zóna is kialakul, ahol a rotorlapátokat a kilépő élük felől (hátulról) éri a megfúvás.

Az első és hátsó helyzetű rotorlapátokat pedig ferde megfúvás éri. (Ez a ferde megfúvás minden lapát helyzetre igaz – csak két kivételes helyzet van: az egyik az előrehaladó, a másik a hátrahaladó lapát, ahol a hozzááramlás merőleges.) Könnyen belátható, hogy a klasszikus forgószárnyaknál a kerületi sebességnek (ennek névleges értéke szinte minden forgószárnynál 200 m s körül van) a legnagyobb repülési sebességnél jelentősen nagyobbnak kell lennie (például legalább háromszorosnak) Különben túl nagy lesz a különbség az előrehaladó és a hátrahaladó oldal sebessége között és túlságosan nagy lesz a hátsó megfúvási zóna is. Ezeket a sebességeket felülről korlátozza a hangsebesség túlságos megközelítése (az előrehaladó lapát vég- 43 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai zónájában), alsó korlátot pedig a lapátvég átesése jelent (a hátrahaladó lapát

végzónájában). III.10 ábra: Helikopter rotorlapátok sebességei Az előrehaladó lapáton, a nagy sebesség nagy légerőhöz, a hátrahaladó lapáton a kis sebesség kis légerőhöz vezetne – ez pedig, kiegyenlítés nélkül orsózó mozgást okozna. Ezt elkerülendő engedjük meg a csapkodó mozgást: az előrehaladó lapát felcsap és ezzel a lapátmetszetek állásszöge csökken, a hátrahaladó viszont lecsap és így az ottani profilok állásszöge megnő. A csapkodó mozgás tehát – automatikusan – kiegyenlíti a légerőket és így orsózó nyomaték nem keletkezik A csapkodó mozgást vagy megengedi a csapkodó csukló (pl. III3 vagy III5 ábra), vagy az un „merev” illetve „rugalmas” rotoragyak esetében (III.9 ábra) a rotorlapát vagy a rotoragy megfelelő, rugalmas részének deformációjának eredményeként jön létre Ezekben az esetekben kvázi csuklót szokás definiálni A csapkodó mozgás miatt azonban, ha egy-egy rotorlapát, az

agyhoz viszonyítva felle csap, akkor a forgástengelyre számított tehetetlenségi nyomatéka változik (ha a rotorlapát felcsap, tehát közelebb kerül a tengelyhez, akkor csökken a tehetetlenségi nyomatéka, illetve lecsapáskor, azaz távolodás esetén nő). A perdület (a tehetetlenség és a szögsebesség szorzata) állandósága miatt a felcsapó lapát szögsebessége nő, a lecsapóé csökken. Vagyis a felcsapó lapát a főtengely forgásához képest, a III7 ábra jobb oldala szerinti „közép helyzet”-hez képest előre siet, a lecsapó valamelyest lemarad – ezt teszi lehetővé a matató csukló. Matató csuklóra tehát – a túlzott igénybevételek keletkezését elkerülendő – a csapkodó mozgás megengedése miatt van szükség. Mindezek a mozgások azt is okozzák, hogy a rotorlapátok közös súlypontja nem marad a forgástengelyen, vagyis a rotor ebből a szempontból egy vibrációs forrás lesz. (A hintás rotoragynál lényegében nincs

matató mozgás A merev, illetve a rugalmas rotoragynál a matató moz- 44 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai gást, a csapkodó mozgáshoz hasonlóan, a rotorlapát rugalmassága, illetve a megfelelő rugalmas bekötés teszi lehetővé.) Megjegyezzük, hogy a szakirodalom egy részében, ahol a rotorlapát mozgását külső koordináta rendszerből figyelik meg, a lapát matató mozgását a Coriolis erőnek tulajdonítják. Ennek, illetve az általunk választott szemléletmódnak (perdület megmaradásra alapozott vizsgálat) a végeredménye azonos – mindössze a konkrétan követett útvonal különbözik. A rotorlapátok mozgását, pályáját, sebességét, meghatározza a centrifugális erő csapkodó csuklóra vett nyomatéka, az emelő erő (ez a felhajtóerő és a légellenállás alkalmas összegzésével állítható elő) csapkodó csuklóra vett nyomatéka, az ellenállás erő (ez szintén a felhajtóerő és a

légellenállás alkalmas összegzésével állítható elő) csapkodó csuklóra vett nyomatéka és a lapátok súlyerejének (III.6 és III7 ábra) csapkodó csuklóra vett nyomatéka. A fentiek alapján, első közelítésben azt mondhatjuk, hogy a rotorlapátok általában a forgástengelyre merőleges sík felett, egy kúp palástjához közeli felület mentén mozognak. Az alapkúpszöget lényegében a centrifugális erő és az átlagos emelő erő, vagyis a főtengely fordulatszáma és a beállítási szög szabályozó tárcsa kollektív kormánynyal beállított helyzete határozza meg A „rotorkúp” előre-hátra, illetve jobbra-balra billenése pedig alapvetően a repülési állapottól és a pilóta által vezérelt beállítási szög szabályozó tárcsa billenéstől függ A beállítási szög szabályozó tárcsát a pilóta a botkormánnyal billenti A rotorlapátok a rotoragyhoz a csapkodó és matató csuklón, illetve a beállítási szög szabályozó

rúdon (III.11 ábra, PP’ rúd) keresztül kapcsolódnak A következőkben feltesszük, hogy a beállítási szög szabályozó rúd (dinamikus rúd) a forgássíkra merőleges, vagyis felülnézetben a P’ pont egybeesik a P ponttal. Az eddig megvalósított rotoragyak között előfordultak másféle elhelyezésű dinamikus rudak is – ezekkel nem foglalkozunk. A dinamikus rúd sietési szöge (ψ S ) és a csapkodás csillapítást jellemző szög ( σ ) között – a III.11 ábra bal felső rész ábrája alapján – az alábbi kapcsolatot írhatjuk fel: ctg (ψ S ) = ( e f ) + ctg (σ ) ; (III.1) A rotorlapátok bekötési módjának egy olyan vezérlést kell biztosítania, hogy a rotorlapátok minden megengedhető repülési állapotban a számukra megengedett tartományban maradjanak. Rossz esetben, a megengedett tartományból kilépő lapát például belemetsz a faroktartóba, vagy más, igen komoly problémát okozhat. A rotorlapátok mozgását első sorban a

forgásból származó és nagy értékű centrifugális erő korlátozza. Ezért a forgószárnyak működése során a fordulatszám (szögsebesség) soha nem csökkenhet egy korlátérték alá (például repülés közben a névleges fordulatszám 90%-a felett kell maradnia mindig). A csapkodó mozgás korlátozására szolgál a III11 ábrán vázolt, a III.3 ábra kapcsán már említett, a legtöbb rotoragy részét képező (kivéve pl a hintás rotoragyat) csapkodás kompenzálás is. 45 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Tegyük fel, hogy a vezérlő rúd bekötési pontja (P) helyben marad, ekkor a felcsapó lapát beállítási szöge csökkenni fog; a lecsapó lapát beállítási szöge viszont értelemszerűen nő – ez látható a III.11 ábra jobb oldali (bekeretezett) rész ábráján A csökkenő beállítási szög csökkenő, az általában szintén csökkenő állásszög miatt csökkenő emelő erőt jelent, ami a

felcsapás korlátozását hozza magával. A lecsapás esetén növekvő beállítási szöggel növekvő emelő erő pedig a lecsapást korlátozza. A csapkodás kompenzálás mértékét a III11 ábrán látható geometriai méretek határozzák meg Előfordulnak olyan rotorok is, amelyeknél a csapkodás kompenzálás értéke nulla (ilyenkor δ = 00 és σ = 900 ) Ez főként a kétlapátos, hintás rotoragyakra jellemző, ekkor a csapkodó csukló speciális elhelyezkedése miatt ( e = 0 ) a kormányzás sietési szöge (vagy a rotorlapát szempontjából késési szög) ψ S = 900 . A III11 ábra abban az értelemben nem teljes, hogy egyes esetekben a csapkodó csukló tengelye nem merőleges a nulla matatási szögű lapát hossztengelye alatti sugárra (mint, a III11 ábrán), hanem más szöget zár be azzal (III8 ábra) Ezzel a kialakítási móddal, részletekbe menően nem foglalkozunk. III.11 ábra: Csuklós rotoragy működése A helikopterek kormányzásának egyik,

rendkívül fontos része a főrotor lapátok beállítási szögének vezérlése. Erre a III11 és III12 ábrán látható, beállítási szög szabályozó tárcsa (máképpen vezérlő tárcsa vagy vezérlő automata) szolgál. (Ez a szerkezeti elem a III.2, III3 és a III5 ábrán is látható) A beállítási szög szabályozó tárcsa elmozdítható önmagával párhuzamosan – ezt nevezzük kollektív kormányzásnak, a hozzá rendelt ki- 46 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai térés legyen p0 . Ezen kívül a vezérlő tárcsa tetszőleges szögbe is billenthető, a billenést meghatározza a magassági kormánytól érkező p1 és a csűrőkormánytól érkező p2 elmozdulás. Ezek szerint valamely, tetszőleges ψ azimút szögnél elhelyezkedő, P* pont elmozdulását az alábbi módon írhatjuk fel: p (ψ ) = p0 + p12 (ψ ) = p0 + p1 cos (ψ −ψ MK ) + p2 cos (ψ −ψ CS ) ; (III.2) III.12 ábra: A beállítási szög

szabályozó tárcsa Korábban már leszögeztük, hogy itt csak azt az elrendezést vizsgáljuk, amikor a dinamikus rúd a forgássíkra (legalább közelítőleg) merőlegesnek tekinthető. Ekkor a P pont elmozdulását azonosnak vehetjük a P’ pont elmozdulásával – ezt a helyzetet tüntettük fel a III.11 ábrán, ahol a p elmozdulást rögtön a P ponthoz rendeltük Tekintsük a P*=P’ esetet. Ekkor a (III2)-ben a kormányzáshoz rendelt ψ = ψ K azimút szögnek kell szerepelnie. A III11 ábra alapján azonban megállapítható, hogy a kormányzáshoz rendelt ψ K azimút szög a rotorlapáthoz rendelt azimút szögtől ( ψ MR ) a kormányzás sietési szögével különbözik, azaz ψ K = ψ MR + ψ S , ezzel (III.2) az alábbi formában írható: p (ψ MR ) = p0 + p1 cos (ψ MR + ψ S −ψ MK ) + p2 cos (ψ MR +ψ S −ψ CS ) ; (III.3) Megjegyzendő, hogy a legtöbb esetben a ψ MK = ψ CS + 900 , vagyis a magassági és a csűrőkormány bekötése egymáshoz

képest 900 -kal van eltolva. Fontos leszögezni még, hogy a kormánybekötések nem csak a III.11 ábrán feltüntetett helyeken lehetnek, hanem ezekkel a helyekkel átellenesen ( 1800 -kal eltolva) is elhelyezkedhetnek. Egy-egy konkrét rotor vizsgálatánál ezt értelemszerűen megvizsgálandó és a (III.3) kifejezésbe a megfelelő kormány elhelyezési szög (ψ MK és ψ CS ) írandó be. 47 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Vizsgáljuk meg a (III.3) kifejezés által leírt vezérlést a III2 ábrán vázolt, hintás rotoragy esetére, ahol ψ MK = 1800 és ψ CS = 2700 . Továbbá, a korábban már leírtaknak megfelelően ψ S = 900 , δ = 00 , σ = 900 és e = 0 . Ebben az esetben a rotorlapát beállítási szögét részben meghatározó, kormányzásból származó kitérés ( p ), a (III.3) szerint, a lapát azimút szögénél (ψ MR ) az alábbi alakot ölti: p (ψ MR ) = p0 + p1 cos (ψ MR + 900 − 1800 ) + p2 cos (ψ

MR + 900 − 2700 ) = = p0 + p1 cos (ψ MR − 900 ) + p2 cos (ψ MR − 1800 ) = = p0 + p1 sin (ψ MR ) − p2 cos (ψ MR ) ; (III.4) Tekintsük a III.2 ábrát és vizsgáljuk a magassági kormánykitérítés hatását A korábban már rögzített módon, legyen a felfele történő kormánykitérítés pozitív – ekkor a „Bot hátra (fel)” esetben az ábrán látható, 900 -os azimút helyzetnél látható lapát beállítás szöge (a sinψ MR függvény tulajdonságainak megfelelően) nő meg a legnagyobb mértékben, illetve az átellenes (hátrahaladó) oldalon, a 2700 -os azimút helyzetnél csökken le a legnagyobb értékkel. Vagyis az előrehaladó lapát emelkedik, a hátrahaladó lecsap – a legmagasabb helyzet elöl ( 1800 ), a legalacsonyabb hátul ( 00 ) alakul ki Végeredményben tehát a rotor-lapátvég-sík – a botkormány húzásának megfelelően – hátra billen. Vizsgáljuk meg a csűrőkormányzást is. Ebben az esetben a beállítási szög

változását a − cosψ MR függvény segítségével követhetjük nyomon. Tekintsünk itt is egy pozitív kitérést ( p2 > 0 ) Ez a „Bot jobbra (fel)” esetet jelenti Eben az esetben a hátsó lapát ( 00 ) beállítás szöge csökken le, illetve az első lapát ( 1800 ) beállítási szöge nő meg a legnagyobb mértékben. Ezek szerint a felcsapás a hátrahaladó helyzetben (a repülési irány szerinti bal oldalon), a lecsapás pedig az előrehaladó helyzetben (a repülési irány szerint a jobb oldalon) lesz a legnagyobb – a rotor-lapátvég-sík tehát jobbra billen. Hasonló gondolatmenettel vizsgálható a hátul, illetve a jobb oldalon kialakított kormány bekötés (ψ MK = 00 és ψ CS = 900 ) esete is. Nyilvánvaló, hogy ezekben az esetekben a botkormány és a vezérlő tárcsa közötti kapcsolatot „fordítva” kell kialakítani (pl. „Bot hátra (le)” vagy „Bot jobbra (le)” a megvalósítandó). Ezzel beláttuk, hogy a III2 ábra szerinti

kormányzás működését a (III.3) kifejezés megfelelően írja le További példákat később vizsgálunk. Valamely rotorlapát metszet eredő beállítási szöge a geometriai kialakításból adódó alap-elcsavarásnak ( ϑ0 ( xL ) ) és a kormányzás, illetve a csapkodó mozgás eredőjének megfelelő beállítási szög változásnak ( ∆ϑ ) az eredőjeként áll elő. A III11 ábra alapján (feltesszük, hogy a csapkodási szög kicsi) felírható a kormányzás, illetve a csapkodó mozgás eredőjének megfelelő beállítási szög változás: ∆ϑ = ( p − q ) f = p f − q f ; (III.5) 48 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A (III.5) jobb oldalán a „ p f ” tag jelenti a kormányzást, a „ q f ” tag pedig a csapkodás csillapítást (csapkodás kompenzálást) jelenti A kormányzást ( p ) a (III3) kifejezéssel már meghatároztuk, a csapkodás csillapítás esetében pedig, kis csapkodási szögekre írható,

hogy: q ≅ k βL ⇒ k f = ctg(σ ) ⇒ q f = ctg(σ ) β L ; (III.6) Végeredményben tehát a merevnek feltételezett rotorlapátok egy metszetének beállítási szöge – a rotorlapát hossza menti koordináta ( xL ) és a lapát azimút szögének (ψ MR ) függvényében: ϑ ( xL ,ψ MR ) = ϑ0 ( xL ) + ( p f ) − ctg (σ ) β L ; (III.7) A (III.7) kifejezésből tehát látszik, hogy egy rotorlapát beállítási szöge három részből ál: az első az alap beállítási szög ( ϑ0 ( xL ) – ez a lapát hossza mentén, az elcsavarás sze- rint változik), a második a kormányzás miatti változás ( p (ψ MR ) f ) és végül a harmadik tag a csapkodási szög miatti beállítási szög változás ( −ctg (σ ) β L ) – ezt gyakran a csap- kodás kompenzációnak is nevezzük. A fenti beállítási szög – más tényezők mellett – szükséges a rotorlapát metszetek állásszögének meghatározásához. A szakirodalom szerint (pl [70]) a csapkodás

csillapítást jellemző szög értéke vagy σ = 900 (ez a hintás rotoragyak esete), vagy, más esetekben többnyire σ = 200 ∼ 260 között változik. A III.11 ábrán feltüntettük a kormányvezérlés eltolását jellemző szöget ( ∆δ ), ennek célszerű értéke, a szakirodalom szerint ∆δ = σ −ψ S . Tekintsük példaként ismét a III.2 ábrán vázolt rotort Ebben az esetben, a σ = 900 miatt ( ctg 900 = 0 ) nem lesz csapkodás kompenzálás Ennek így is kell lennie, hiszen ek- ( ) kor a lapát csapkodó mozgásának tengelye merőleges a lapát hossztengelyére. Ebben az esetben a kormányvezérlés eltolási szöge pedig ∆δ = σ −ψ S = 900 − 900 = 00 , és a III.2 ábrán valóban ez a helyzet látható! A korábbiakban leírtak szerint a matató mozgást a csapkodó mozgás hívja életre, viszont első közelítésben azt mondhatjuk, hogy a matató mozgás lényegében nem hat viszsza a csapkodó mozgásra. Ezzel kapcsolatban azonban meg kell

jegyezni, hogy pontosabb vizsgálatokban figyelembe veendő a matató mozgás miatti sebesség, illetve légerő változás hatása – ez nyilván mégiscsak befolyásolja a csapkodást. A másik, matatás csapkodás irányú kapcsolat a vezérlő rendszer kinematikájából adódik. Ezt, egy – tetszőleges – lapátmetszet beállítási szögének változását a III13 ábra segítségével követhetjük nyomon. Ha a matatási szög ( δ L ) nulla, akkor a III.13 ábrán (kék színnel) rajzolt profil húr ki és belépő pontja, szemből nézve egybe esik, ekkor tehát ∆h = 0 . A forgásirány szerint hátrafele mozduló lapát ( δ L nem nulla, a választott koordináta rendszer szerint negatív) profil 49 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai húr belépő pontja magasabbra kerül, mint a kilépő pont – ez látható a III.13 ábra alsó, elölnézeti rész-ábráján. Egyszerű trigonometriai összefüggések alapján belátható,

hogy: ∆h = h tan β L sin δ L ⇒ ∆ϑM ≅ ∆h = tan β L sin δ L ; h (III.8) III.13 ábra: Matatás – csapkodás kinematikai kapcsolata A fenti számolásban a beállítási szög szabályozó rúd állandó hosszúsága miatti, kismértékű elfordulást elhanyagoltuk. Az eredő beállítási szög, igazán igényes számításokban a (III8) figyelembe vételével, az alábbi módon számolható: ϑ ( xL ,ψ MR ) = ϑ0 ( xL ) + ( p f ) − ctg (σ ) β L + tan β L sin δ L ; (III.9) A forgószárnyak szögsebessége, illetve fordulatszáma több ok miatt is, általában csak lassan változik. Ezért egy-egy rész vizsgálatnál – amikor a vizsgálat időtartama elegendően rövid – állandónak választjuk Ebből kiindulva, az Ω MR = ψ MR t ⇒ t = ψ MR Ω MR (III.10) egyenlet alapján azt mondjuk, hogy a rotor vizsgálatoknál az azimút szög átveheti az idő szerepét. Ez azért is előnyös, mert az azimút szög egyértelműen jelöli a lapát

helyzeteket: 00 az éppen a faroktartó felett lévő (hátsó) lapátot; pozitív forgásirány esetén 900 az előre haladó lapátot; 1800 az első – helyzetben lévő – rotorlapátot; 2700 a hátra haladó rotorlapátot jelöli és 3600 -nál záródik a kör). Ezzel szemben az idő alkalmazása esetén nem tudunk ilyen, jellegzetes, mindig használható értékeket megadni. 50 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A fenti idő – azimút szög szerepcsere más esetek mellett konkrétan például a lapát csapkodás vizsgálatában, a csapkodási sebesség számításában látható: βɺL = d βL d β L dψ MR d βL = = Ω MR = β L′ Ω MR dt dψ MR d t dψ MR (III.11) A csapkodó mozgásbeli szöggyorsulás pedig, értelemszerűen: βɺɺL = d  d βL  d  d βL  d ( β L′ Ω MR ) Ω MR = β L′′ Ω 2MR  =   Ω MR = dψ MR dt  dt  dψ MR  dt  (III.12) III.4 Önforgás

(autorotáció) – bevezető ismeretek Az autogírók főrotorja mindig, a helikopterek főrotorja (vagy főrotorjai) bizonyos meghibásodások fellépésekor (pl. hajtómű vagy hajtási lánc meghibásodása esetén) önforgó üzemmódban működik. Ebben az üzemmódban a vizsgált rotort a légáram forgatja, ezért itt reakció nyomaték nincs (ezt már az I. fejezetben is leszögeztük) Az autorotáló helikoptereknél tehát a farokrotor működése – a helikopterszerű repüléshez képest – alapvetően megváltozik. Erről valamivel bővebben a IV fejezetben lesz szó. Itt a főrotor működését vizsgáljuk A vizsgálatot először egyetlen profil, majd a tengelyirányú áramlásban süllyedő főrotor, végül a ferde megfúvásban működő főrotor esetére végezzük el Az autorotáció vizsgálatakor keressük azokat az állapotokat, amikor a hozzááramló levegő egyenletes szögsebességgel (fordulatszámmal) forgatja a főrotort. Ez általában azt jelenti,

hogy a rotorlapátokon előrehajtó (gyorsító) illetve fékező (lassító) zóna alakul ki, úgy, hogy az eredő forgató nyomaték – az állandó fordulatszámnak megfelelően – csak a súrlódás legyőzésére és adott esetben a farokrotor valamint egyes segédberendezések forgatására lesz elegendő. Mivel ez a nyomaték, illetve a neki megfelelő teljesítmény a normál repüléshez szükséges teljesítményhez képest nagyon kicsi, azért gyakran hangzik el az a nagyvonalú kijelentés, hogy az autorotációban a főrotort forgató eredő nyomaték értéke nulla. III.41 Egyetlen szárnymetszet viselkedésének vizsgálata Az „egyetlen profil” vizsgálatában tekintsük a NACA 0012-es jelű, régebben nagyon gyakran alkalmazott szárnymetszetet. Tekintsük először a felhajtóerő tényező és az ellenállás tényező állásszög szerinti változását (a Reynolds szám 18 ⋅106 ) – III14 ábra 51 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és

működésük alapjai Definíció szerint meghatározható a siklószög, mint az állásszög függvénye – a (III.13)ban a siklószög ( γ ), a felhajtóerő és az ellenállás tényező is, egyaránt az állásszögnek (is) a függvénye: γ = arctg ( cD cL ) ; (III.13) III.14 ábra: NACA 0012 felhajtóerő és ellenállás tényező az állásszög függvényében A siklószög – állásszög függvény konkrét számértékeit a III.14 ábrán látható görbékről vett számadatokkal számoltuk ki, a 0 − 300 -os állásszög tartományra – ezt a görbét ábrázoltuk a III.15 ábrán A legjobb (leglaposabb) siklószög a nagyjából 10 fokos állásszögnél adódik, értéke körülbelül 060 Más állásszögeknél ennél meredekebb siklószögeket látunk A III15 ábrára úgynevezett „ 450 -os egyeneseket” (hármat) is rárajzoltunk Az ábra baloldalán látható egyenes az α = 0, γ = 0 pontból indul, és például áthalad az α = 8, γ = 8 ponton,

illetve nagyon lényeges, hogy pontosan ennek az egyenesnek minden pontjára igaz, hogy α = γ . A későbbiekben a „ 450 -os egyenes” kifejezést ehhez hasonló értelemben használjuk A III.15 ábra közepe felé is látható egy, másik „ 450 -os egyenes” és felrajzoltuk az α ≅ 20.10 -nál induló „ 450 -os egyenes”-t is – ez érinti a siklószög görbét, és az ennél na- 52 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai gyobb állásszögtől induló „ 450 -os egyeneseknek” valamint a siklószög görbének már nincs közös pontja. A III15 ábrán látható tehát a választott profilnak az autorotáció vizsgálatához szükséges, siklószög görbéje. Az „egyetlen profil” vizsgálathoz össze kell gyűjteni és elemezni kell a profil fontos, lehetséges működési állapotait. Tekintsük azért egy rotorlapát három helyét (egyet belül, kis sugárnál, egyet középtájon, közepes sugárnál és egyet kívül,

nagy sugárnál). A profil működését ezen a három helyen mutatja a III.16 ábra három rész-ábrája A fent említett három hely, például a kerületi sebesség alapján azonosítható. III.15 ábra: NACA 0012 siklószöge az állásszög függvényében A „V” merülési vagy süllyedési sebesség mindhárom rész-ábrán azonos, hiszen a rotor egyféle sebességgel süllyed! Szintén mindhárom rész-ábrára igaz, hogy az „R” eredő légerő és az eredő indukált sebesség „wi” párhuzamosak. Az „L” felhajtó erő merőleges a „W” eredő sebességre, illetve a „D” légellenállás párhuzamos „W”-vel. Az egyszerűség kedvéért, mindhárom rész-ábrán állandó húrhosszúságú profilt ábrázoltunk. A ϑ , a metszet beállítási szöge – az általában kismértékű lapátelcsavarásnak köszönhetően – a külső sugárnál a legkisebb, beljebb (kismértékben) nő. Ezt a vizsgált lapát geometriai kialakítása határozza meg. A

sebességi sokszög jellemző szöge ( ϕ ), a kerületi sebesség csökkenésével, a „V” állandósága miatt, növekszik. Tekintsük először a külső sugarat (felső rész ábra), ahol az „U” kerületi sebesség nagy (a három közül a legnagyobb). A profil állásszöge a beállítási szög és a sebességi sokszög jellemző szögének az összege: α PR = ϑ + ϕ – ez a szög, a három közül itt a legkisebb. Ugyanakkor az eredő erő és az eredő indukált sebesség – egymással párhuzamosak – egyaránt hátrafele, a forgásiránnyal ellentétes értelemben billennek. Ezt tehát fékező állapot Nagyon fontos észrevenni, hogy ebben az állapotban a γ > ϕ , vagyis a siklószög nagyobb, mint a sebességi háromszög jellemző szöge. 53 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai III.16 ábra: Egy profil lehetséges működési állapotai Tekintsük másodszorra a középső rész-ábrán vázolt helyzetet. Itt a

kerületi sebesség kisebb – ennek megfelelően a sebességi sokszög jellemző szöge nagyobb, mint a felső rész-ábrán. Emiatt a „W” eredő sebesség lejjebb fordul és így a felhajtóerő előrébb billen Végeredményben, ezen a rész-ábrán az eredő erő „ ” a forgástengelyre esik, így ez semlegesnek nevezett állapotot jelent. A semleges azt jelenti, hogy se nem gyorsít, se nem fékez – ezt szokás ideális autorotációs állapotnak nevezni. Ebben az esetben a γ = ϕ , vagyis a siklószög a sebességi háromszög jellemző szögével egyenlő Tekintsük harmadszorra a belső sugáron történő működésnek megfelelő, alsó részábrát. Itt a kerületi sebesség a három közül a legkisebb – ennek megfelelően a sebességi sokszög jellemző szöge a legnagyobb. Emiatt a „W” eredő sebesség még lejjebb fordul és így a felhajtóerő még inkább előre billen. A rész-ábra szerint ez az előre billenés akkora, hogy az eredő erőnek a

forgást elősegítő összetevője lesz – ezt nevezzük gyorsító álla- 54 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai potnak. Ebben az esetben a γ < ϕ , vagyis a siklószög kisebb, mint a sebességi háromszög jellemző szöge. Azt, hogy ezek az állapotok milyen feltételek esetén jöhetnek létre, a következőkben vizsgáljuk meg A III.17 ábrán a III15 ábra bal, alsó részét tüntettük fel és a siklószöget ábrázoló görbét „Semleges vonal”-nak neveztük el Egy „ 450 -os egyenes” vonalat az ábrán látható ϑ beállítási szögtől indítottunk. A beállítási szög egyébként az a jellemző, amit a pilóta szabályozni tud – beállít. A „ 450 -os egyenes” vonal pedig arra való, hogy – amint ezt a „ ϕ1 ”-es indexszel jelzett szögnél jól láthatóan fel is tüntettük, hogy a szóban forgó szög függőlegesen felfele is megjelenjen az ábrán. III.17 ábra: Autorotáció – alapábra Az

ábrán három állásszöget tüntettünk fel, ezek mindegyike a beállítási szög és az aktuális sebességi sokszöget jellemző szög összege ( α PRi = ϑ + ϕi ). A korábban leírtaknak megfelelően, mindegyik állásszög felett, az aktuális állásszögtől induló függőleges vonalon megjelenik a hozzá tartozó, sebességi sokszöget jellemző ϕi szög – ezt az ábrán feltüntettük. Másrészt az állásszögtől induló függőleges vonal metszi a „Semleges vonal”at is, a metszéspont pedig az aktuális siklószöget ( γ i ) jelöli ki Ezek szerint az „1”-es állásszögnél γ 1 > ϕ1 , ez tehát fékező állapot – megfelel a III.16 ábra felső rész-ábrájának. A „2”-es állásszögnél a γ 2 = ϕ 2 egyenlőség teljesül – ez tehát semleges állapot, megfelel a III.16 ábra középső rész-ábrájának Végül a „3”-as állásszögnél a γ 3 < ϕ3 teljesül, ez tehát gyorsító állapot, ez a III16 ábra alsó

rész-ábrájának megfelelő helyzetet láttat. Megjegyzendő, hogy a siklószög vonalát éppen azért szokás semleges vonalnak nevezni, mert a pontjai éppen a semleges állapotokat jelentik! Illetve a III.17 ábrán lét zó- 55 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai nát is kijelöltünk: a semleges vonal feletti tartományba eső pontok gyorsítóak, ezért ezt a területet, zónát gyorsító zónának nevezzük. A gyorsító zónába akkor kerül a metszet, ha az adott beállítási szög és profil állásszög összege elegendően nagy – például III.17 ábra szerint α PR > α PR 2 . Ez, természetesen nem feltétlenül igaz minden további nélkül, a nagyon nagy profil állásszögek esetét külön vizsgálni kell A semleges vonal alatti pontok pedig fékező állapotot jelentenek, ezért ezt a területet fékező zónának nevezzük. A fékező zónába akkor kerül a metszet, ha az adott beállítási szög és profil

állásszög összege elegendően kicsi – például III.17 ábra szerint α PR < α PR 2 III.18 ábra: Egyetlen szárnymetszet (nem NACA 0012!) működési állapotai Tekintsünk most, elméleti esetként csak egyetlen profilt – ebben az esetben a működés pontosan a semleges állapotokban ( S1 és S2 ) lehetséges. Ez látható a III18 ábrán, illetve az is látható, hogy az autorotáció akkor válik lehetővé, ha az állásszög és alapvetően az ezt lehetővé tevő beállítási szög elegendően kicsi ( ϑ < ϑMAX ). Kicsit előre szaladva: így válik érthetővé, hogy a helikoptereknél, az önforgásra történő átállás egyik első, szükséges lépése a kollektív beállítási szög csökkentése. Az is belátható továbbá, hogy a beállítási szög csökkentésével az állásszög és ezzel a felhajtóerő tényező is csökken Emiatt, azonos légerő létrehozásához nagyobb sebesség szükséges. Kimondható tehát, hogy a beállítási szög

csökkentésével az autorotáció fordulatszáma növekszik! Vizsgáljuk meg elsőként az S1 munkapontot. Gondolatban tegyük fel, hogy az egyensúlyi állásszög valamilyen zavarás miatt kis mértékben megnő ( +∆α PR ) Ekkor a „450-os egyenes”-en az S1 munkaponttól jobb felé, a gyorsító zónába lépünk át. A gyorsítás miatt megnövekvő kerületi sebesség pedig a (pl a III16 ábra szerint) profil állásszöget ′ ). csökkenti ( −∆α PR Másodszorra, ismét gondolatban tegyük fel, hogy az egyensúlyi állásszög valamilyen zavarás miatt kis mértékben lecsökken ( −∆α PR ). Ekkor a „450-os egyenes”-en az S1 56 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai munkaponttól bal felé, a fékező zónába mozdulunk el. A lassítás miatt lecsökkenő kerü′ ) leti sebesség pedig a (pl. a III16 ábra szerint) profil állásszöget növeli ( +∆α PR Nagyon fontos állítás következik: az S1 munkapontbeli

működés statikailag stabil! Ez azt jelenti, hogy egy, gondolatbeli megzavarásra visszatérítő hatás jelenik meg. Nem jelenti azonban azt, hogy a valóságban, a megzavarást követő folyamat lecseng és – újabb zavarás hiányában – az állásszög elegendő idő múltán az eredeti értékhez tart. Ezt, a másodikként említett folyamatot nevezzük egyébként dinamikai stabilitásnak. A statikai stabilitás a dinamikai stabilitás szükséges, de nem elégséges feltétele! Hangsúlyozzuk, hogy a stabilitás valamilyen egyensúlyi helyzet (adott esetben általánosított egyensúlyi helyzet – ilyen általánosított egyensúlyi helyzet rendelhető például az előrehaladó repülésben csapkodó mozgást végző lapát mozgásállapotához) tulajdonsága. Tekintsük most az S2 munkapontot. Ekkor, a valamilyen zavarás miatt kis mértékben megnövekvő profil állásszög ( +∆α PR ) következtében jobb felé, a fékező zónába lépünk. A lassítás miatt

lecsökkenő kerületi sebesség pedig tovább növeli a profil állásszöget ′ ). Ez, végeredményben a forgás leállását eredményezi ( +∆α PR Valamivel jobb a helyzet a profil állásszög csökkenésekor. Ekkor a gyorsító zónába kerülünk, ami további állásszög csökkenést eredményez – végeredményben a metszet az S1 munkapontba megy át. III.42 Rotor tengelyirányú autorotációja Egy, függőlegesen, a forgástengelye irányában süllyedő rotor valóságos autorotációja tehát a kis sugaraknál gyorsító, egy, közepes sugárnál semleges és a külső sugaraknál fékező állapotból áll össze. Úgy, hogy az eredő nyomaték nagyvonalúan nulla, pontosabban akkora legyen, amennyi a súrlódás legyőzéséhez és az esetleges további igényekhez (pl farokrotor forgatása) elegendő A III.18 ábrán a bevezető felsorolást kiegészítettük a legtöbb esetben, a lapáttő tartományában is kialakuló „E” jelű fékező zónával – ennek

oka a túl nagy állásszög, azaz az átesés, illetve a tő felé elhelyezkedő, nem áramvonalas szerkezeti elemek körüli áramlásban bekövetkező leválás. Emiatt két semleges sugarat („D” és „B”) láthatunk Az előrehajtó (gyorsító) zónában az eredő sebesség kicsi, és mert a légerő a sebesség négyzetével arányosak, azért meglehetősen nehéz előrehajtó erőt létrehozni. A helyzetet rontja, hogy a viszonylag nagy állásszög miatt romlik a siklószög is. Végül a nehezen megtermelt előrehajtó erő nyomatéka is a kis sugár miatt kicsi lesz. Ezzel ellentétben, a fékezés nagy sebesség, tehát négyzetesen nagyobb légerő mellett, nagy sugáron történik. A tengelyirányú autorotáció ezek szerint igazán valóságos folyamat, a nagy nehezen létrehozott előrehajtó nyomatékot játszi könnyedséggel fékezzük le. Ennek megfelelően a tengelyirányú autorotációban igen tekintélyes merülési sebesség alakul ki! 57 III. A

forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai III.19 ábra: Tengelyirányú áramlásban autorotáló rotorlapát A III.20 ábrán felülnézetben egy rotorkör látható, az ábrán látható zónák megfelelnek a III.19 ábrán látható állapotoknak III.20 ábra: Autorotáció tengelyirányú áramlásban Legyen a III.20 ábra szerinti helyzet egy, egyensúlyi autorotáció és vizsgáljuk ennek, az egyensúlyi helyzetnek a statikai stabilitását. Valamilyen megzavarás miatt növekedjen meg a kerületi sebesség ( +∆U ), illetve a szögsebesség ( +∆Ω MR ) Ekkor a semleges körvonal sugara ( RSV ) lecsökken, mert a semleges körvonalhoz tartozó kerületi sebesség, nagyobb szögsebesség esetén kisebb sugárnál alakul ki. Emiatt a fékező zóna növekszik, és a forgás lassul ( −∆U ′ , illetve −∆Ω′MR ). Ebben az esetben a központi, átesett zóna szerepe elhanyagolható 58 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és

működésük alapjai Tekintsük az ellenkező esetet: csökkenjen le a kerületi sebesség ( −∆U ), illetve a szögsebesség ( −∆Ω MR ). Ebben az esetben semleges körvonal sugara ( RSV ) megnő, mert a semleges körvonalhoz tartozó kerületi sebesség, kisebb szögsebesség esetén nagyobb sugárnál alakul ki. Ezért a fékező zóna csökken, és a forgás gyorsul ( +∆U ′ , illetve +∆Ω′MR ) Ezt a megállapítást azonban csak kellő elővigyázattal szabad megtenni, mert túl nagy csökkenés az állásszög túlzott megnövekedése miatt az átesett zóna kiterjeszkedésével és ezzel a forgás leállásával járhat! Végeredményben kimondható, hogy a főrotor tengelyirányú autorotációja – elegendően kicsi megzavarás esetére – statikailag stabil. III.43 Autorotáció előrehaladó repülésben A tengelyirányú autorotáció inkább elméleti jelentőséggel bír – a gyakorlatban az önforgási üzemmódot általában előrehaladó

repülésben alkalmazzák, hiszen a tengelyirányú autorotációban, általában igen tekintélyes süllyedési sebesség alakul ki. III.21 ábra: Autorotáció előrehaladó repülésben Az előrehaladó repülésben kialakuló autorotáció viszonyait – egy, éppenséggel alacsony súlypont helyzetű autogíró esetére – a III.21 ábrán vázoltuk Helikoptereknél alapvető különbség, hogy ott az állandósult autorotáció csak süllyedő pályán lehetséges, a továbbiak azonban mindkét esetben azonosak. A vizsgálatainkban feltételezzük a szélcsendet A III.21 ábrán két rész-ábra látható A baloldali rész-ábrán a teljes forgószárnyas repülőgépet tüntettük fel Itt látható a korábban már bemutatott rotor-lapátvég-sík is (RLVS). Erre merőleges a rotoron keletkező eredő légerő ( ), illetve a közeli eredő indukált sebesség (wi) is Ebből következik, hogy e két vektor ( és wi) egymással párhuzamos A baloldali rész-ábrán látható a

repülési sebesség (V), illetve annak rotor-lapátvég-síkkal párhuzamos (VT), valamint arra merőleges (VM) összetevője. Feltesszük, hogy az egész rotor működése jellemezhető egy eredő erővel és ennek megfelelően egy közeli indukált sebességgel. Pontosabb vizsgálatok esetében, természetesen erő-eloszlással és az ennek megfelelő indukált sebesség eloszlással kell számolni. 59 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai A jobboldali rész-ábrán egy előrehaladó (pozitív forgásirány esetén ψ MR = 900 ) és egy hátrahaladó (pozitív forgásirány esetén ψ MR = 2700 ) lapát metszet sebességi sokszöge látható. Az egyszerűség kedvéért feltettük, hogy a kerületi sebesség (U) csak az értelmében különbözik A repülési sebesség rotor-lapátvég-síkkal párhuzamos (VT), valamint arra merőleges (VM) összetevője, illetve a közeli eredő indukált sebesség (wi) minkét esetben azonos.

Hasonlóképpen azonosnak tekintjük a beállítási szöget ( ϑ ) és az eredő légerőt ( ) is Ebből következik, hogy a sebességi sokszög jellemző szöge ( ϕ ) az előrehaladó esetben kisebb, a hátrahaladó esetben nagyobb. A metszet állásszöge ( α PR ) tehát kisebb az előrehaladó oldalon és nagyobb a hátrahaladó oldalon Ebből következik az, amit az eredő erőre pillantva azonnal megállapíthatunk, hogy az előrehaladó lapát általában fékez, a hátrahaladó pedig általában gyorsít. III.22 ábra: Autorotáció előrehaladó repülésben – rotorkör felülnézetben A III.22 ábrán az autorotáló rotor felülnézetben látható A rotor közepe táján kialakul az átesett, örvényes zóna. Előrehaladó repülésben itt van az a terület is, amelyen a lapát a kilépőéle felől kapja a megfúvást. Az előrehaladó és egyben fékező oldalt a semleges vonal választja el a hátrahaladó, fékező oldaltól. A haladó repülésbeli autorotáció

esetében, a fékező és gyorsító állapotbeli eredő légsebesség (W) nem különbözik olyan erősen, mint tengelyirányú autorotációban. A gyorsító és fékező erő karja (a sugár) is kevésbé tér el egymástól, mint a tengelyirányú autorotációban. Ezért a haladó repülésbeli autorotáció kedvezőbb, mint a tengelyirányú autorotáció. Helikopterek esetében például a merülő sebesség, előrehaladó repülésben akár jelentősen is kisebb lehet, mint a tengelyirányú autorotációban. Illetve általában létezik egy, legkedvezőbb repülési sebesség, amelynél a merülés (vagy autogírók estében a vízszintes repüléshez szükséges teljesítmény) minimális. A helikopterek autorotációba történő átvitele nem mindig egyszerű feladat. Az átvitelt a rotoragy kialakítása egyszerűsítheti vagy akár nehezítheti is A szakirodalom szerint ebből a szempontból előnyös a merev, illetve a rugalmas rotoragy (III9 ábra) Az átmenet

szempontjából nagyon lényeges az autorotációra történő áttéréshez rendelke- 60 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai zésre álló idő ( t AT ) – levezetés nélkül, csak a szakirodalomra hivatkozva (pl. [59]) egy, egyszerű kifejezés erre az időre: t AT =  Θ ROTOR Ω MR ,névleges  cɶL max − 1 ;   cɶLnévleges  M névleges   (III.14) A (III.14)-ben szerepel a teljes főrotornak a forgástengelyére vett tehetetlenségi nyomatéka ( Θ ROTOR ) – a nagyobb tehetetlenségi nyomaték, ebből a szempontból előnyös Szerepel továbbá a főrotor névleges szögsebessége ( Ω MR ,névleges ) – ennek növekvő értéke az autorotációra történő átálláshoz rendelkezésre álló időt szintén növeli. Az előbbi két jellemzővel ellentétben, a főrotor névleges állapotbeli forgatásához szükséges nyomaték ( M névleges ) növekedésével csökken a rendelkezésre álló idő. A

zárójelben, a négyzetgyök alatt a tört számlálójában a rotorlapát átlagos maximális felhajtóerő tényezőjét, a nevezőben az átlagos, névleges felhajtóerő tényezőt látjuk. Ezek szerint előnyös, ha a maximális felhajtóerő tényező értéke nagy és előnyös az is, ha a névleges állapotbeli felhajtóerő tényező értéke alacsony. A szakirodalom (pl [59]) szerint az áttéréshez rendelkezésre álló idő kb. 65 másodpercnél kezdődik és a legjobb esetben majdnem 11 másodperc lesz. III.5 A forgószárny lapátok rugalmassága Ez a pont alapvetően a figyelem felhívására szolgál, az ide vágó ismeretek részletes bemutatása messze meghaladja a lehetőségeinket. Vizsgáljuk meg először egy tipikusnak tekinthető rotorlapát vázlatos szerkezeti felépítését (III.23 ábra) A rotorlapát – általában speciálisan rotorok számára fejlesztett – szárnymetszetekből épül fel. A szármetszetek külső kontúrja alkotja a lapát

felületét – ez egyébként a borítás, amit például valamely kompozit anyagból készült réteg alkothat. A belépőél környezetében kopásálló, az eróziónak jól ellenálló – például titánium lemezből készült – külön „belépőél borítás”-t szokás alkalmazni. Hátul, a profilok végén húzódhat egy kilépőél lemez. Ez alkotja, a modern rotorlapát profilok legvégén található, rövid, párhuzamos, egyenes vonalakkal határolt kilépő szakaszt. Illetve ez a deformálható (hajlítható) kilépőél lemez szolgálhat a lapátok aërodinamikai finomhangolására is (Például az un. kúponfutás beállításakor tehet jó szolgálatot) A lapát belseje általában három, jól elkülöníthető részből áll. Elöl húzódik az orrsúly, amely csak nehéz és alapvetően arra szolgál, hogy a lapát súlyvonala megfelelő mértékben előre kerüljön. Az orrsúlyt készíthetik acélból, ólomból stb Amennyiben van ilyen, akkor itt szokás

elhelyezni a folyadékos jégtelenítő rendszer csövét is. Ezek a részletek megfigyelhetők a III.24 ábrán is Az orrsúly általában nem teherviselő, miközben a lapát húzófeszültségét jelentős mértékben megnöveli. 61 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai Hátrafelé haladva következik a főtartó, amit az alakja után „D” tartónak is neveznek. Ez a főtartó sok esetben kompozit anyagból készülnek – ilyen, üvegszálas szerkezet látható a III.24 ábrán Készítenek persze héjszerkezetű rotorlapátokat is, ezeknél a főtartó hasonló lehet a klasszikus szárny főtartóhoz. III.23 ábra: Rotorlapát vázlatos felépítése A harmadik a lapát hátsó része, ahol a terhelések meglehetősen kicsik. Ennek megfelelően ezt a részt könnyű, alaktartó szerkezetként alakítják ki A III23 ábrán méhsejt szerkezet, a III24 ábrán műanyag-hab szerkezet szolgál erre a célra III.24 ábra: Rotorlapát

metszet Sok rotorlapátot osztanak szekciókra. Ez azt jelenti, hogy a lapát hossza mentén, meghatározott távolságokban a külső borítást a kilépő éltől a főtartóig bemetszik Ezzel elérhető, hogy a lapátmetszetek nyíróközéppontja előre vándoroljon Az eddigiekben a forgószárny lapátokat merev testnek tekintettük, azaz nem foglalkoztunk a lapátok rugalmasságával. Márpedig a forgószárny lapátok valójában olyan hosszú, karcsú szárnyak, amelyeknek igen jelentős hajlító és csavaró deformációja. Ezért a hajlító és a csavaró valamint a kapcsolt hajlító-csavaró lengéssel is számolni kell. A fent vázolt szerkezeti kialakítás – az első súlypont helyzet és, szintén első nyíróközéppont helyzet – pontosan azért lényeges, mert az igen veszélyes kapcsolt hajlító-csavaró lengés (másképpen flatter) éppen ezzel a kialakítással kerülhető el. Illetve innen látható, hogy a rugalmasság hatásainak a vizsgálathoz

szükség van a szerkezet tulajdonságaira is. A centrifugális erő szerepéről már korábban is esett szó: tekinthetjük úgy, hogy a centrifugális erő a rotorlapátoknál egy, látszólagos merevségnövekedést okoz. Illetve a centrifugális erő miatt járulékos csavaró nyomaték is fellép. Amennyiben a rotor fordu- 62 III. A forgószárnyak szerkezeti felépítése és működésük alapjai latszáma módosul, a centrifugális erő és a járulékos hatásai is erősen változnak. Egyes esetekben segéd súlyokat alkalmaznak, hogy a centrifugális erő forgató hatását kihasználva előnyös nyomatékot nyerjenek. Növeli a kérdéskör összetettségét és fontosságát, hogy – amit az a korábbiakból már kiderült – a rotorok működése közben, a működésből következően számos gerjesztő hatás jelentkezik. A forgószárny lapátok – kevés kivételtől eltekintve – eleve időben változó áramlásban működnek. Ennek a körülmények a

fontosságát növeli a rugalmas deformációsebességekből következő, további időben változó aërodinamikai hatás is A rotorlapátokról, működésük során (szabad) örvények úsznak le – felsodródás révén ezekből alakul ki a (nagy intenzitású) lapátvég örvény. Ezek a lapátvég-örvények sok esetben okoznak ún. „lapátvég-örvény kölcsönhatás”-nak nevezett, ütésszerű gerjesztést okozó kölcsönhatásokat. Ilyen, lapátvég-örvény kölcsönhatás jelentkezhet az összes rotorlapátnál (beleértve önmagát a lapátvég-örvényt keltő lapátot is), illetve további szerkezeti elemeknél (pl. farokrotor) A rotorlapátok persze nem az egyedüli rugalmas elemek. Igen lényeges figyelembe venni, hogy a szerkezet (pl. kormányrendszer, faroktartó stb) maga is rugalmas A helikopterek esetében igen kiterjedt rezgésvizsgálatokat folytatnak és számos passzív és aktív módon igyekeznek a rezgéseket csökkenteni Ehhez a területhez tartozik

a rezgésanalízisen alapuló diagnosztika is, ezen a módon számos meghibásodás azonosítható, esetleg korai szakaszában felismerve repülési esemény is elkerülhető lehet 63 IV. A farokrotor és a vezérsíkok Ebben a fejezetben a farokrotorok mellett ejtünk néhány szót a helikopterek vezérsíkjairól is. A vezérsíkok legtöbbször hátul, a farokrotor közelében helyezkednek el Tekintsük példaként a II.2 vagy II3 ábrán vázolt helikoptert (vagy akár a IV3 ábrát): ezekben, a tipikusnak tekinthető esetekben a farokrotor meghajtó tengelyének végső szakasza a függőleges vezérsík felső részén található. Emiatt a farokrotor és a függőleges vezérsík aërodinamikai kölcsönhatása jelentős – ezért is indokolt ezeknek a szerkezeti elemeknek az együttes vizsgálata. IV.1 A farokrotor A főrotor a helikopter minden mozgásformájában meghatározó szerepet játszik – a farokrotorra a függőleges tengely körüli elfordulásban,

másképpen megnevezve a legyező mozgásban van feltétlenül szükség. A farokrotor elvesztése, vagy működésképtelenné válása esetén az üzemszerű repülés folytatása nagy valószínűséggel lehetetlenné válik – a főrotor reakció nyomatékának kiegyenlítése életbevágóan fontos. Hasonlóan elengedhetetlen, hogy a farokrotor vonó vagy tolóerejének változtatásával a repülési irány változtatható legyen (ezt útirányú kormányzásnak is nevezzük) Az autogírókon nincs farokrotorra szükség. IV.1 ábra: Toló elrendezésű farokrotor (lebegésbeli áramkép) IV.2 ábra: Vonó elrendezésű farokrotor (lebegésbeli áramkép) 64 IV. A farokrotor és a vezérsíkok Az egyrotoros helikopterek főrotor reakciónyomatékának kiegyenlítését ugyan néha megpróbálják farokrotor nélkül megoldani (pl. NOTAR – NO TAil Rotor), ezek a kísérletek azonban napjainkig nem hoztak igazi áttörést Ezért itt csak a hagyományos farokrotorokkal

foglalkozunk. Ezek alapvetően toló (IV1 és IV3 ábra), vonó (IV2 és IV.3 ábra) és ventilátoros elrendezésűek (IV4 és IV5 ábra) lehetnek IV.3 ábra: Toló (balra) és vonó (jobbra) elrendezésű farokrotor A toló és a vonó elrendezésű farokrotorok esetében a függőleges vezérsík általában a farokrotor sugarában helyezkedik el – emiatt erős aërodinamikai kölcsönhatás lép fel. Ezt a kölcsönhatást lényegében kiküszöböli a ventilátoros elrendezésű farokrotor (IV.4 ábra) – ennek átmérője azonban a toló vagy vonó elrendezésű farokrotor átmérőjénél nyilvánvalóan jóval kisebb lehet csak. Emiatt, azonos farokrotor–erőt rosszabb hatásfokkal, tehát nagyobb teljesítmény árán lehet csak produkálni Ugyanakkor ennek az elrendezésnek az előnye lehet a veszélytelenebb és a csendesebb működés IV.4 ábra: Ventilátoros elrendezés (lebegésbeli áramkép) 65 IV. A farokrotor és a vezérsíkok IV.5 ábra: Ventilátoros

elrendezés (SA-365) A farokrotor a helikopterek igen veszélyes része – a repülőtéren álló helikopter már vagy még működő (forgó) farokrotorját ugyanis viszonylag könnyű megközelíteni, miközben a gép ezen részét a pilóta nem vagy csak tükörből látja. Emiatt meglehetősen sok baleset történt, illetve emiatt is a farokrotorok speciális festést kapnak, e festés (pl. kifele haladó spirál) hívja fel a figyelmet a forgó farokrotorra. A függőleges vezérsík kialakítható úgy is, mint az a IV.1, IV2 illetve IV4 ábrán látható: azaz a vezérsíknak esetleg aszimmetrikus a profilja és beállítási szöge is van – olyan, hogy elegendően nagy repülési sebesség esetén a függőleges vezérsíkon keletkező légerő hozzájárulhasson a főrotor reakciónyomatékának kiegyenlítéséhez. Ezt az útirányú kormányzásnál nyilván figyelembe kell venni Illetve az autorotációban, adott esetben problémát okozhat a túl nagy oldalerőből

származó nyomaték, hiszen ekkor a főrotornak nincs reakció nyomatéka. A farokrotor fő feladata a főrotor reakciónyomatékának kiegyenlítése. Ez az „ T TR ” farokrotor–erő főrotor reakciónyomatékkal ellentétes nyomatéka révén lehetséges. Ugyanakkor azonban a farokrotor–erőt (amely erő oldalt húzza a helikoptert), mint erőt is ki kell valahogy egyenlíteni, hiszen az egyenesvonalú, egyenletes sebességgel történő repülésben erő és nyomatéki egyensúlynak kell lennie. Oldalirányban, a farokrotor-erő mellett figyelembe kell venni a főrotor aktuális oldalerejét, az esetleges csúszással történő repülésből származó, a törzsön keletkező oldalerőt és az eseteleges ferde helyzet miatt a súlyerő oldalirányú összetevőjét. Oldalirányban ezen erők eredőjének kell nullának lennie. A csúszással történő repülés esetében, a kis mértékben oldalról megfújt törzsön, általában a törzs első részén, a főrotor

tengelyétől nem túl nagy távolságban keletkezik a számításba veendő, oldalirányú erő. Ez a lehetőség - nyilvánvalóan - lebegésben és kissebességű repülésben nem áll rendelkezésre 66 IV. A farokrotor és a vezérsíkok A farokrotort – ugyanúgy, mint a főrotort – forgatni kell, emiatt a farokrotornál is keletkezik reakció nyomaték. Ez lehet orrnehéz, vagy faroknehéz, illetve ezt a nyomatékot is ki kell egyenlíteni valamilyen módon. Ennek többféle módja lehetséges Vizsgáljuk meg a IV.3 ábra jobb oldalán látható, vonó elrendezésű farokrotort Ennek a farokrotornak faroknehéz a reakció nyomatéka. Ugyanakkor a farokrotor tengelye ferdén van beépítve, emiatt a farokrotor-erőnek van egy, felfele mutató komponense Ennek az erő-összetevőnek az orrnehéz nyomatéka egyenlíti ki a szóban forgó, farokrotor reakció nyomatékot. Azért is figyelemre méltó ez a megoldás, mert növekvő erőhöz növekvő reakció nyomaték

tartozik, de az erő növekedésével a kiegyenlítő erő összetevő és ezzel a kiegyenlítő nyomaték is, a megfelelő mértékben nő. A farokrotor átmérője a főrotor átmérőjének leggyakrabban az 1 / 5 ∼ 1/ 7 -e. A farokrotor - főrotor átmérő-viszonyának értékét megvalósított helikopterek megfelelő adatainak alapján határozták meg, ez tehát egy statisztikai jellegű mennyiség. A főrotor felületi terhelésének növekedésével (általában ezek a nehezebb helikopterek) a farokrotor viszonylagos átmérője csökken. Ezt mutatja az alábbi, egyrotoros helikopterek jellemzői alapján készített képlet (itt a DL a forgószárny felületi terhelése – ez a maximális felszálló tömeg és a rotorlapátok által súrolt felület hányadosaként kapjuk): RMR 1 = ; RTR 0.127 exp ( 00082 DL ) (IV.1) Az eddig megvalósított helikopterek megfelelő adatainak elemzése alapján kijelenthető, hogy a farokrotorok lapátvégeinek kerületi sebessége a

főrotorok névleges fordulatszámnál vett lapátvég kerületi sebességével körülbelül azonos, vagyis 200 [m/s] körüli értékkel bír. Ez, a kisebb farokrotor átmérő miatt a főrotoréhoz képest magasabb fordulatszámot jelent A magasabb fordulatszám következtében pedig a farokrotor zaja magasabb frekvencián keletkezik Az emberi fül sajátosságai miatt a farokrotort (különösen a kétlapátos kialakítást) zajosabbnak halljuk, mint a főrotort. Emiatt lesz általában az egész helikopter legzajosabb része a farokrotor. Ezt a zajosságot csökkenti a IV.4 és IV5 ábrán látható ventilátoros elrendezésű farokrotor. Ennek az átmérője kicsi, ezért a fordulatszáma magas, illetve viszonylag sok lapátja van – ezzel, végeredményben a farokrotor zaja jelentősen magasabb frekvencia tartományba tolható el, ez pedig az ember számára kevésbé kellemetlen lesz. A statisztikai vizsgálat további eredménye szerint a farokrotorok a főrotor forgatására

fordított teljesítmény nagyjából 10%-át használják fel. Ez persze csak nagyon nagy vonalakban igaz, hiszen például, nagyobb repülési sebességeken az aszimmetrikus függőleges vezérsíkon keletkező erő akár teljesen is kiválthatja a farokrotort A helikopteres repülési tapasztalatok azt mutatják, hogy a farokrotornak kb. 1 [rad/s2] függőleges tengely körüli szöggyorsulás létrehozására kell képesnek lennie – vagyis legalább ennek megfelelő nagyságú (járulékos) erőt kell a farokrotornak előállítania. Illetve a farokrotor erőnek, a megfelelő kormányhatás érdekében, adott esetben irányt (előjelet) 67 IV. A farokrotor és a vezérsíkok is kell váltania. Különösen fontos ez az autorotációban Ezért a farokrotor lapátok beállítási szöge általában igen tág határok között változik! Ennek megfelelően a farokrotor javasolt tervezési állapota lehet: függeszkedésben bal forduló (pozitív forgásirányú – pl IV.6

ábra – rotor esetén) kezdése 1 [rad/s2] gyorsulással (ez kritikus a vonóerő szerint) vagy függeszkedésbeni forgás megállítása, amikor a szögsebesség 0.75 [rad/s] és a szöggyorsulás legalább 04 [rad/s2] A farokrotor másik, de azért hasonló méretezési esete lehet a teljes teljesítménnyel történő függőleges emelkedés, adott sűrűség magasságban, úgy, hogy legalább 10% kormány-tartalék maradjon addig, amíg a farokrotor lapátok átesnek – a kritikus eset lehet alacsonyan, amikor a teljesítmény nagy, vagy nagyobb magasságban, amikor a sűrűség elég kicsi. A farokrotor egy lehetséges ellenőrzése lehet a pozitív forgásirányú rotorral repülő helikopter jobbra történő oldal-repülése, amikor a faroktartó légellenállását is le kell győzni. A farokrotor meghajtó tengelyének végső szakasza sok esetben nagyjából a főrotor magasságában helyezkedik el. Ezzel a megoldással elkerülhető a függeszkedésben előforduló

kapcsolt orsózó lengés Ugyanakkor az ilyen farokrotor elhelyezés előrehaladó repülésben, a rotoragy illetve a hajtómű ház mögött keletkező turbulencia megfelelő irányítását követeli. Ezért a legtöbb helikopteren (pl [64] szerint) speciális hajtómű ház kialakítást („dog house fairing”), illetve turbulencia keltő elemet (pl „beanie cap”) alkalmaznak A farokrotor általában igen bonyolult áramlási viszonyok között működik. Alapprobléma, hogy a függőleges vezérsík – kivéve a ventilátoros kialakítást (IV4 ábra) – a farokrotor sugárban helyezkedik el. A toló elrendezésnél (IV1 ábra) a farokrotorhoz áramló levegőnek a függőleges vezérsíkot meg kell kerülnie. Ez, több szempontból kedvezőbb a vonó elrendezésnél (IV2 ábra), ahol a farokrotor az általa felgyorsított levegősugarat fújja rá a függőleges vezérsíkra A függőleges vezérsík légátáramlást akadályozó hatása mellett, a vonó és a toló

elrendezésben is aërodinamikai gerjesztés éri a farokrotor lapátjait. Viszonylag sok modern helikopternél található toló elrendezésű farokrotor, de ebben az esetben is ügyelnek arra, hogy a farokrotor a függőleges vezérsíktól a lehető legtávolabb legyen. Ennek a távolságnak a növelése nem egyszerű, hiszen egy valamilyen mértékben mindig kiegyenlítetlen, forgó rotort kell egy viszonylag hosszú, rugalmas (farok)tartó végén elhelyezni A farokrotoron – hasonlóan a főrotorhoz – inverz megfúvási zóna alakulhat ki, illetve a mechanika törvényeinek megfelelően a farokrotor lapátvég síkja billen is. Ez azért is nagyon fontos, mert a farokrotor lapátokhoz közel van a függőleges vezérsík. A farokrotor, ismét csak a főrotorhoz hasonlóan, örvénygyűrű állapotba is kerülhet. Az örvénygyűrű állapotról ebben a munkában később lesz részletesen szó, itt csak azt jegyezzük meg, hogy ebben az állapotban az átlagos indukált

sebesség nagyjából azonos, de ellentétes értelmű, mint a megfúvási sebesség. Emiatt a farokrotoron önmagába záródó áramlás, örvénygyűrű alakul ki Az örvénygyűrű állapot következtében a farokrotor ereje nagyon lecsökken, így – időlegesen – megszűnik a nyomaték kiegyenlítés, illetve az útirányú kormányzás lehetősége. Ez az állapot akkor szűnik meg, amikor a farokrotor 68 IV. A farokrotor és a vezérsíkok körüli áramlási viszonyok lényegesen megváltoznak. Ez nyilván időt igényel, ezalatt az idő alatt a helikopter függőleges tengely körüli elfordulása alig, vagy egyáltalán nem kontrollálható. IV.6 ábra: Farokrotor a főrotorról leúszó szárnyvég-örvényben A farokrotor sok esetben a főrotor által indukált, bonyolult sebesség mezőben működik. Rossz esetben előfordulhat, hogy a farokrotor belekerül a főrotorról leúszó, (forgó)szárnyvég örvénybe (IV6 ábra), emiatt is erősen lecsökkenhet a

farokrotor-erő Ezzel a helikopter az örvénygyűrű állapotnál bemutatotthoz hasonló helyzetbe kerül. Ezt a gondot elkerülendő, a helikoptereknek, egy előírt sebesség tartományban bizonyos oldalazó repüléseket nem szabad végrehajtaniuk. Egyes szakirodalmak szerint a farokrotoroknak van „jó” forgásiránya: ez az a forgásirány, amikor a főrotorhoz közelebbi farokrotor lapátok a főrotorról érkező áramlással szemben (általában felfele) haladnak, vagy máképpen: a farokrotor forgásiránya a repülési irány szerinti bal oldalról nézve (általában) az óramutató forgásirányával egyezik meg. A „jó” forgásirány megállapításánál a már említett szakirodalmak okként a gyakorlati tapasztalatokra hivatkoznak Megjegyzendő, hogy a farokrotorok működését nagyon sok, nehezen megismerhető körülmény befolyásolja, ezért a gyakorlati tapasztalatok szerepe valóban rendkívül fontos! (Csak megjegyezzük, hogy ebben az esetben a

farokrotor forgatása miatt orrnehéz reakció nyomaték keletkezik, a kiegyenlítésnél ezt figyelembe kell venni.) A farokrotoroknak az egyik kritikus működési állapota az, amikor a lapátok (egyes szakaszai) átesett állapotba kerülnek, illetve egyes előírások tiltják azt, hogy a megengedett repülési állapotokban a farokrotor lapátokon bárhol átesés jöjjön létre. Az átesés elkerülése érdekében néha a pedálokhoz csatlakozó mozgató mechanizmusba olyan csil- 69 IV. A farokrotor és a vezérsíkok lapítót építenek be, amely megengedi a normál lépést, de a hirtelen oldalkormány kitérítést az ilyenkor keletkező nagy csillapító erő révén akadályozza. A III.4 ábrán egy tipikusnak mondható farokrotor részlet látható Amint azt már korábban is leírtuk, a farokrotor agya leginkább hintás elrendezésű, de a hinta tengelye ferde. Ez a ferde tengelyű, központi csapkodó csukló teszi lehetővé a csillapított csapkodó mozgást

(III fejezet, „delta csukló”) A farokrotor lapátok gyakran – főleg a kisebb átmérőjűek – ellentétben a légcsavar lapátokkal, elcsavaratlanok és téglalap alaprajzúak. A farokrotornál az (nagy) elcsavarás ugyan függeszkedésben jó, de előrehaladó repülésben nem szükséges. A farokrotor lapát (kismértékű) elcsavarása akkor lényeges, ha fontos a farokrotor jobb hatásfoka, illetve a nagyobb erő létrehozása. Az elcsavaratlan farokrotor lapát könnyebben megy át az örvénygyűrű állapoton, és kevésbé érzékeny a turbulenciára Megjegyzendő, hogy a helikopterek főrotor lapátjainak esetében is, általában csak kis elcsavarással találkozunk, sőt, szép számmal akadnak elcsavaratlan főrotor lapátok is. Sok farokrotor lapát végén alakítanak ki törővéget, hogy egy esetleges akadálynak ütközés esetén itt következzen be a törés, így remélhető, hogy a sérült farokrotor, ha csak rövid ideig is, de működőképes marad. A

farokrotor műszaki paramétereit általában a kis sebességű (függeszkedés) repülési állapotok határozzák meg, de fontos a nagy sebességű esetekben a nagy lapátvég Mach számot jelentő állapotok ellenőrzése is. A farokrotor esetleges tehermentesítése növeli a farokrotor élettartamát, mivel csökkennek a nagy, ütésszerű terhelések. A farokrotor átmérőjének növelésével (egy darabig!) csökken a farokrotor forgatásához szükséges teljesítmény, növekszik az oldalkormány hatásossága és növekszik az iránystabilitás is. Ugyanakkor, az átmérő növelésével, a csökkenő fordulatszám miatt (hogy a lapátvég kerületi sebessége ne változzon) növekszik a meghajtó rendszer igénybevétele, illetve növekednek a méretek – ezzel növekszik a rendszer súlya és egyes elemeinek a légellenállása is. A szakirodalom szerint a farokrotor tipikus felületi terhelése 400 [N/m2] körüli érték, de kritikus esetben ennek akár a duplája is

választható. Adott farokrotor átmérő esetén, alacsonyabb felületi terhelésnél hosszabb faroktartóra van szükség – meg kell tehát találni a fenti szempontok szerinti az optimális kombinációt, méghozzá lehetőleg úgy, hogy a helikopter a többi helikopterrel összehasonlítva ez esztétikus kinézetet is adjon. Tekintsük a téglalap alaprajzú lapátozással ellátott farokrotorokat, legyen a lapátszám NTR és a húrhossz hTR . A farokrotorok befedési tényezője, közelítőleg az alábbi módón számítható: σ TR ≅ NTR hTR RTR NTR hTR = ; 2 RTR RTRπ π (IV.2) 70 IV. A farokrotor és a vezérsíkok A szakirodalom szerint a legkisebb befedési tényező érték 0.014, a gyakorlatban azonban ennél sokkal nagyobb, legalább 007 körüli értéket szokás választani A legtöbb esetben a (sugár/húr) viszonyt 5 és 9 közé választják Az esetleg így adódó kisebb lapátszám olcsóbb, egyszerűbben gyártható és üzemeltethető farokrotort

eredményez – de ha nagyon tömzsi lapát adódna, akkor a lapátvég veszteségek túl nagyok lesznek. A farokrotor lapátok számára a gyártók általában saját profil családot fejlesztenek ki. Régebben, egyes esetekben a NACA 0012, 0015, 0018 jelzésű szimmetrikus profilokat alkalmazták A kettőnél több lapátos farokrotorok esetén a lapátoknak lehetőség szerint olyan elrendezést választanak, amely elrendezésben kizárják az egyperiódusú gerjesztés lehetőségét. Ilyen, „X” elrendezés látható a IV7 ábrán – ekkor a lapátok követési időköze különböző lesz és emiatt például a függőleges vezérsíkkal adódó aërodinamikai kölcsönhatásból adódó gerjesztés mind a farokrotor lapátokon, mind a függőleges vezérsíkon nem egyetlen frekvenciával történik. Ez – megfelelő tervezés esetén – elkerülhetővé tesz néhány rezonanciát IV.7 ábra: „X” lapátelrendezésű farokrotor A farokrotor tengelyt – hasonlóan a

főrotor tengelyhez – ferdén építik be, azaz előre és vagy le, vagy felfelé billentik. Ez látható a IV3 ábrán A ferde beépítés következtében a farokrotor-erőnek a megfelelő irányba mutató összetevői (is) lesznek, ezekkel a helikopter egyensúlyának vizsgálatakor számolni kell. Néhány esetben erős (nem javasolt mértékű) kormányzás kapcsolódás is előállhat, amire figyelni kell Érdekességként megemlíthető, hogy egyes, modern helikoptereken a farokrotor meghajtó tengelyét új technológiával készített siklócsapággyal (teflon, kerámia) látják el. IV.2 A vezérsíkok Az autogírókat olyan függőleges vezérsíkkal kell ellátni, amely vezérsíknak része a lábpedálokkal működtetett oldalkormánylap is. Az autogírók esetében, gyakorlatilag 71 IV. A farokrotor és a vezérsíkok minden gépnél így történik az oldalkormányzás. Az alacsony súlypont helyzetű (II1 ábra) autogírók esetében a vízszintes vezérsík

feltétlenül szükséges, a magas súlypont helyzetű esetben erősen ajánlott. A vízszintes vezérsík itt csak csillapító felületként szolgál, magassági kormánylappal nem szokás ellátni Tekintsük a DFS – Deutsche Flugsicherung – kiadásában megjelent, „Bekanntmachung von Bauvorschriften für Ultraleichte Tragschrauber (einmotorig)” című, 2001-ben kiadott előírását. Ebben a rotorátmérő függvényében, számszerűen is megadják a megfelelő értékeket ( DMR - az autogíró rotorjának átmérője): IV.1 Táblázat – Ultrakönnyű autogíró vezérsík fontosabb jellemzői Függőleges vezérsík teljes felülete: 2 π 4) ; 0.033 ⋅ ( DMR Függőleges vezérsík (első) húrnegyedének távolsága a rotortengelytől: 0.22 ⋅ DMR ; Vízszintes vezérsík teljes felülete: 2 π 4) ; 0.033 ⋅ ( DMR Vízszintes vezérsík (csillapító) belépőélének távolsága a rotortengelytől: 0.22 ⋅ DMR ; A fent említett előírás –

természetesen – egy teljes rendszer, aminek a IV.1 táblázat csak egy, ugyan ide vágó, de kiragadott része. Adott esetben alkalmazni, nyilvánvalóan a teljes előírást kell! Az előírás alkalmazásának persze értelemszerűen kell történnie – nem feltétlenül a számszerű értékeknek kell teljesülniük, hanem a mögöttük lévő repülésbiztonsági célt kell valamilyen módon elérni, megfelelő mértékben biztonságos repülőgépet kell létrehozni. Amint azt a II. fejezetben már megállapítottuk: a vízszintes vezérsík fő funkciója a kereszttengely körüli forgó mozgás csillapítása – így van ez az autogíróknál és a helikoptereknél is Fontos, hogy ez a hatás lebegésben nagyon csekély, illetve a repülési sebesség növekedésével hatványozottan nő. A vízszintes vezérsíkot (vízszintes csillapító felületet) úgy igyekeznek elhelyezni, hogy vagy lehetőleg mindig, vagy lehetőleg minél ritkábban kerüljön bele a rotor által

keltett légáramba, a rotor-sugárba. A „lehetőleg mindig” elhelyezés nagyjából a II3 vagy IV.8 ábra szerinti helyzet ezt „első” elrendezésűnek nevezzük (IV8 ábra), azért, mert a vízszintes vezérsík a farokrotor előtt helyezkedik el. Helikoptereken, előrehaladó repülésben a vízszintes vezérsík általában lefele ható légerőt és ezzel orremelő nyomatékot állít elő, ezzel képes kiegyenlíteni a törzs ellenállásából származó, orrnehéz nyomatékot. Az „első” elrendezésű vízszintes vezérsíkot a rotor-sugár a lebegéstől a nagysebességű előrehaladó repülésig minden esetben eléri. A vízszintes vezérsík csak az autorotációban nincs a rotor utáni rotor-sugárban. 72 IV. A farokrotor és a vezérsíkok IV.8 ábra: „Első” elrendezésű vízszintes vezérsík A IV.8 ábra kapcsán meg kell említeni, az ábra jobb oldalán látható helikopternél a vízszintes vezérsíkot lezáró vég-lapokat alkalmaztak –

ezek a lezáró lapok egyúttal részei a függőleges vezérsíknak is. Az ilyen kialakítás előnye, hogy a lezáró lapok a szárnyvég körüláramlást akadályozzák, ezzel javítják a vízszintes vezérsík hatékonyságát. Másrészt ezek a lezáró lapok, mint függőleges vezérsíkok hozzájárulnak a helikopterek iránystabilitásához, illetve emiatt a hátul elhelyezkedő, fő függőleges vezérsík felület kisebb lehet, ezzel csökkentve a farokrotor-sugár és a függőleges vezérsík kölcsönhatásának mértékét. IV.9 ábra: „T” elrendezésű vezérsíkok A „lehetőleg minél ritkábban” eset lehet például a „T” elrendezésű vízszintes vezérsík (IV.9 ábra), az „alsó” elrendezésű vízszintes vezérsík (IV10 ábra), illetve az „aszimmetrikus” elrendezésű vízszintes vezérsík (IV11 ábra) Ebben az esetben a rotor-sugár csak az autorotációban éri el a vezérsíkot, a többi repülési helyzetben nem. Ez a kérdés azért

fontos, mert a rotor-sugárba történő bekerülés vagy az onnan történő kikerülés során, a vezérsíkon keletkező erő jelentősen megváltozik, amely változásra a helikopter vezetésénél feltétlenül fel kell készülni, illetve ennek megfelelően kell a helikoptert kormányozni. A „T” elrendezés és egyes „első” elrendezések (pl. IV8 ábra jobb oldalán látható) előnye, hogy a farokrotor a függőleges vezérsík felső része helyett a faroktartó végén helyezhető el, ezzel jelentősen csökkenthető a faroktartó igénybevétele (nem lesz járulékos 73 IV. A farokrotor és a vezérsíkok csavarás), valamint csökkenthető a hajtás bonyolultsága és ezzel a szerkezet súlya is. Ezzel szemben az „alsó” és az „aszimmetrikus” elrendezés esetében a farokrotor a függőleges vezérsík felső részén helyezendő el Az „alsó” elrendezésnél, a IV10 ábra jobb oldali képének tanúsága szerint, ebben az esetben alkalmazhatók a

vízszintes vezérsíkot lezáró, a függőleges vezérsík felületét megnövelő függőleges felületek. IV.10 ábra: „Alsó” elrendezésű vízszintes vezérsík IV.11 ábra: „Aszimmetrikus” vezérsík elrendezés Egyes helikoptereken „aszimmetrikus” elrendezésű függőleges és vízszintes vezérsíkot alkalmaznak, ez látható a IV.11 ábrán Ez végeredményben konstrukciós kérdés, aminek az eldöntésében számos, itt nem tárgyalt problémakör játszhat szerepet. Függőleges vezérsík alkalmazása helikoptereken egyébként nem feltétlenül szükséges, mert a farok-rotor egyedül is tudja produkálni a szükséges irány-stabilitást. Az autogírók, természetesen függőleges vezérsíkkal és a lábpedálokkal működtetett oldalkormánnyal készülnek! A modern helikoptereken általában van függőleges vezérsík, méghozzá megfigyelhető, hogy az újabb típusokon ez a felület növekszik. Egyes helikoptereknél a faroktartó felett és

alatt is kialakítanak függőleges vezérsíkot A faroktartó alatti rész – az iránystabilitás növelése mellett – a farokrotor földnek ütközését is akadályozza. 74 IV. A farokrotor és a vezérsíkok A túl nagy függőleges vezérsík felület azonban jelentős hátránnyal is bír. A függőleges vezérsík felülete zavarja a farokrotor sugarát, így akadályozza annak működését Erre különösen lebegésben, illetve kis repülési sebességek esetén kell figyelni A túl nagy felület jelentősen megnehezíti, esetleg blokkolhatja az oldalrepülést. Másrészt a nagy felületet nagy súlyhoz vezet, ami miatt nő a helikopter súlya, hátrafele vándorol a súlypontja és a tehetetlenségi nyomatéka is növekszik A fejezet lezárásaként vizsgáljuk meg, hogy milyen beállítási szöget alkalmaznak például az „alsó” elrendezésű, repülés közben szabályozható beállítási szögű, vízszintes vezérsíkok esetében. A IV12 ábrán – csak

jellegre helyesen – négy, fontos repülési esetben alkalmazott beállítási szög látható. IV.12 ábra: Repülés közben állítható vízszintes vezérsík Induljunk ki a IV.12 ábra bal felső rész-ábrájából – ez az utazó repülés esete, illetve lényegében hasonló beállítás szög látható a IV.8, IV9, IV10 és IV11 ábrán is Ha a vízszintes vezérsík repülés közben nem állítható, akkor többnyire ezt a beállítást alkalmazzák A repülés közben állítható vízszintes vezérsík esetében, emelkedő repülésben általában – a IV.12 ábra jobb felső rész ábráján látható – kis, pozitív beállítási szöget használnak Azt állítjuk, hogy az emelkedő repülésben kialakuló, eredő megfúvás ezzel a beállítási szöggel nagyjából nem változik, vagyis a vízszintes vezérsík hatása nagyjából azonos az utazó repülésben kifejtett hatással A IV.12 ábra bal, alsó rész ábráján a függeszkedésben alkalmazott,

viszonylag nagy, pozitív beállítási szög látható. (Ezt a vezérsík pozíciót viszonylag sok helikopter fényképén lehet megfigyelni) Ezzel a beállítási szöggel csökkenthető az e nélkül túl nagyra adódó, lefele irányuló aërodinamikai erő. 75 IV. A farokrotor és a vezérsíkok Végül, a IV.12 ábra jobb, alsó rész ábráján az autorotáció esetén alkalmazott, viszonylag nagy, negatív beállítási szög látható Az autorotáció során a helikopter alapvetően előre és lefele halad, ezért ez a beállítás éppen megfelel ennek a repülési állapotnak. 76 V. Stabilitás és kormányozhatóság Ebben a fejezetben nem törekszünk teljességre, csak a véleményünk szerint legfontosabb ismereteket és azokat is csak vázlatosan foglaljuk össze. Az a Tisztelt Olvasó, aki ennél tovább óhajt lépni, a vonatkozó szakirodalom segítségével teheti ezt! Rögtön a bevezetőben leszögezzük, hogy a stabilitás, a kormányerő, a

kormányhatásosság, a csillapítás, a késés (összefoglalva a kormányozhatóság) és estenként további tényezők összefüggő rendszert alkotnak. A cél ezeknek a tulajdonságoknak a harmonikus összehangolása, úgy, hogy végeredményben a jól vezethető repülő eszközt kapjunk A „jól vezethető” valójában és alapvetően szubjektív kategória, éppen ezért ezt alapvetően sok repülőgép-vezető véleménynek várható értékéhez történő viszonyítással szokás mérni. Ez a viszonyítás például a szakirodalomban megtalálható osztályozási rendszert (pl. Cooper-Harper skála stb) jelent Érdemes rögzíteni azt is, hogy egy repülő eszköznek nem kell feltétlenül stabilnak lennie. Az ember bizonyos instabilitásokat természetszerűleg jól tud kezelni, illetve az esetleges automatikus rendszereket pontosan úgy lehet kialakítani, ahogyan az az ember számára előnyös. Csak megjegyezzük, hogy a repülésben ismert néhány, akár

katasztrófához is vezető, túl nagy stabilitású helyzet (pl siklórepülőknél a flatter-zuhanás vagy merevszárnyú repülőknél a mélyátesés), amikor a kormányhatásosság nem elegendően nagy a repülési állapot megváltoztatáshoz. Egy repülő eszközt tekinthetünk nyitott rendszernek, a nyitott rendszerben nincs visszacsatolás – ezért a repülő eszköz vezetése nem függ a repülési állapottól. Ilyen, nyitott rendszer lehet egy magára hagyott repülő, amit senki vagy semmi sem vezet Ez – természetesen – csak ritkán fordul elő, a repülések túlnyomó többségében a repülő eszköz zárt (visszacsatolt) rendszerként működik. Visszacsatolást jelenthet a repülőgépvezetője, aki az általa érzékelt jellemzők alapján beavatkozik, illetve valamilyen, többnyire elektronikus-mechanikus rendszer, amely, a mért jellemzők alapján szintén beavatkozik valamilyen módon A repülésben, így a forgószárnyas repülőgépek esetében is

gyakran használják az állapotteres leírást. Ebben, a repülő eszköz mozgásállapotát jellemző vektor mellett szerepet kap a vezérlő jellemzők vektora, az kimenet vektor és esetleg a zavarás A visszacsatolás lényegében azt jelenti, hogy a vezérlő vektor elemeit – a megfelelő módon – az állapotvektor elemeinek függvényében változtatjuk. A repülő eszközök vizsgálatában nagyon fontosak az egyensúlyi helyzetek. A legegyszerűbb egyensúlyi helyzet például az adott sebességgel történő vízszintes repülés, emelkedés vagy süllyedés, de egyensúlyi helyzet lehet például a vízszintes síkban végrehajtott, állandósult forduló is – és még sok más helyzet. Ezekkel az egyensúlyi helyzetekkel foglalkozik például a teljesítmény számítás 77 V. Stabilitás és kormányozhatóság Nagyon fontos leszögezni, hogy a stabilitás, az indifferencia vagy az instabilitás az egyensúlyi helyzetek tulajdonsága! Ezek szerint egy és

ugyanazon repülő egyik egyensúlyi helyzetében lehet stabil, a másikban labilis. Sőt tovább is léphetünk: a stabilitás elméletből ismertek például a „nyereg pontok” – ezeknél bizonyos megzavarásokra stabil, más megzavarásra labilis viselkedést kapunk válaszul. Ilyen lehet például egy egyenletes sebességgel, vízszintesen repülő merevszárnyú repülőgép, amely a kereszttengely körüli elfordulásra stabil, oldalirányban viszont instabil (oldalirányban, vezetés hiányában lecsúszhat). Az előbbi értelemben vett egyensúlyi helyzetek esetében statikai és dinamikai stabilitásról szokás beszélni. A statikai stabilitás megléte egy gondolat-kísérlettel állapítható meg: amennyiben egy, elképzelt megzavarásra válaszként a zavarást csökkentő választ kapunk, akkor statikailag stabil, ha növelő választ kapunk, akkor statikailag instabil a vizsgált egyensúlyi helyzet. Amennyiben sem növelő, sem csökkentő a válasz, akkor a

vizsgált egyensúlyi helyzet statikai értelemben indifferens lesz. A dinamikai stabilitás esetében a tényleges megzavarás után lejátszódó folyamatot vizsgáljuk – amennyiben a megzavarás megszűnte után a repülő, miközben az idő a végtelenhez tart, az eredeti egyensúlyi helyzethez (periodikusan vagy aperiodikusan) tér vissza, akkor Ljapunov féle, aszimptotikus stabilitásról beszélünk. A divergens folyamatot instabilnak nevezzük A sem stabil, sem labilis folyamat jelenti az indifferens viselkedést A statikai stabilitás a dinamikai stabilitásnak szükséges, de nem elégséges feltétele Ezek szerint, a statikai stabilitás hiánya kizárja a dinamikai stabilitást, viszont statikailag stabil repülő is lehet dinamikailag instabil. Tekintsük egy helikopter rotorlapátjainak csapkodó mozgását, egyenletes sebességű, vízszintes repülésben. Ennek a csapkodó mozgásnak hagyományos értelemben vett egyensúlyi helyzete nincs. Viszont a rotorlapát

csapkodó mozgásának jellemzésére biztosan találhatunk a mozgás fázis síkján pontosan egy, önmagába záródó görbét, amelyet általánosított egyensúlyi helyzetnek nevezünk. (A fázis síkot például a csapkodási szög és a csapkodási szög deriváltja feszíti ki.) A rotorlapát a mozgásállapotát e görbe pontjai jellemzik. Ez, az egymás utáni mozgásállapot-pontok halmazából kialakult görbe tehát az időben nem változik, ebben az értelemben tekinthető tehát általánosított egyensúlyi helyzetnek. Ennek, az általánosított egyensúlyi helyzetnek is értelmezzük – Poincare nyomán – a stabilitását, indifferenciáját vagy labilitását. Ez nyilvánvalóan fontos, hiszen nem mindegy, hogy egy rotorlapát csapkodó mozgása egy-egy megzavarás után visszatér-e az általánosított egyensúlyához – természetesen a csapkodó mozgásnak például, ebben az értelemben feltétlenül stabilnak kell lennie, hiszen egy esetleges labilitás

lapáttöréshez és így katasztrófához vezet. Ezt a stabilitást biztosítja a korábban megismert csapkodás kompenzáció is. Szólni kell még – röviden – az egyensúlyi helyzetek vonzáskörzetéről. Ez azoknak a mozgás állapotoknak a halmaza, ahonnan – stabil viselkedés esetén – a repülő az egyensúlyi helyzethez tér vissza. Amennyiben a megzavarás olyan nagy, hogy a megzavart 78 V. Stabilitás és kormányozhatóság állapot elhagyja a vonzáskörzetet, akkor a kiinduló állapotra vonatkozó stabilitás vizsgálat értelmét veszti – adott esetben egy másik egyensúlyi helyzetet, amihez a mozgásállapot tarthat, kell a vizsgálat kiinduló pontjának tekinteni. V.1 A rotor viselkedése A forgószárnyak – természetszerűleg – nincsenek mereven rögzítve a törzshöz, ezért ezek járulékos szabadságfokot jelentenek. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a forgószárnyas repülőgépeknek a forgószárnyával kell repülni, a

forgószárnyat kell kézben tartani Éppen ezért döntő jelentőségű a rotor viselkedésének a vizsgálata V.1 ábra: Hintás rotoraggyal ellátott forgószárny viselkedése Az V.1 ábrán – ez a III2 ábra kicsit módosított változata – egy, hintás rotoraggyal ellátott rotor előrehaladó lapátját tüntettük fel Illetve feltételeztük, hogy ennek, az előrehaladó lapátnak a sebessége valamennyivel – például külső zavarás következtében – megnövekedett ( V + ∆V ). Ennek következtében a lapátra ható emelő erő is megnő ( T + ∆T ). 79 V. Stabilitás és kormányozhatóság Az ábrán nem látható, de könnyen belátható, hogy ugyanezen zavarás hatására a hátrahaladó lapát sebessége csökken ( V − ∆V ) így az ezen a lapáton keletkező emelő erő is csökken ( T − ∆T ). Ebben az esetben a legnagyobb „felfele” hatás az előrehaladó oldalon ( ψ MR = 900 ), a legnagyobb „lefele” hatás a hátrahaladó oldalon (

ψ MR = 2700 ) lesz. A rotorlapátok viselkedésének magyarázatánál (III. fejezet) bemutattuk, hogy ebben a helyzetben a legmagasabb pozíciót elöl ( ψ MR = 1800 ), a legalacsonyabbat pedig hátul (ψ MR = 00 ) éri el a rotorlapát. Végeredményben kimondható, hogy (hintás rotoragy esetén) a megnövekedett repülési sebesség hatására a rotorkúp hátrafele billen (V2 ábra) Illetve csökkenő repülési sebesség esetén a kúp előre billen. V.2 ábra: Hintás rotoraggyal ellátott forgószárny sebesség szerinti viselkedése Az V.2 ábrán csak a hátra billenést tüntettük fel, az előre billenés értelemszerűen következik Nagyon lényeges, hogy a hátrabillenő rotorkúp miatt az eredő légerő is hátrabillen, ezzel a sebességet csökkenteni igyekszik Ugyanakkor az előrebillenő kúp következtében előrebillenő rotor-lapátvég-síkra merőleges eredő légerő gyorsítani igyekszik Vagyis a rotorkúp viselkedése, a sebesség szerint statikailag

stabil. V.3 ábra: Hintás rotoraggyal ellátott forgószárny állásszög szerinti viselkedése A sebességváltozás hatása után vizsgáljuk meg az állásszög változás ( ∆α MR ) hatását is. Az V.3 ábrán látható állásszög növekedés hatása a sebesség növekedés hatásával azonos: az előrehaladó lapáton megnövekszik, a hátrahaladón pedig lecsökken az emelő erő Ezért – az ábrán feltüntetett esetben – a rotor-lapátvég-sík és az eredő erő hátrafele billen, illetve az eredő erő megnő. Az állásszög csökkenés hatása értelemszerűen rotorkúp előre billenéshez vezet. A hátrabillenés további állásszög növekedést, illetve az előrebillenés további állásszög csökkenést eredményez – ez a folyamat tehát labilis, a rotor viselkedése az állásszög szerint statikailag instabil. A csuklós, illetve a további típusokhoz sorolható rotoragyak viselkedése részben alapvetően hasonló, részben bonyolultabb – nem

csak előre-hátra, hanem oldalbillenéssel is számolni kell. Ez azt jelenti, hogy a mozgástípusok (mozgások a szimmetria síkban és haránt mozgások) nem határolhatók el, mint például a merevszárnyú repülőknél. Való- 80 V. Stabilitás és kormányozhatóság jában a helikopterek esetében például nincs is igazi szimmetria sík – erről csak nagyvonalú közelítéssel beszélhetnénk. V.2 Néhány szó a helikopterekről A helikopteres szakirodalomból ismert, hogy a helikopterek esetében igen fontos és érdekes a lebegés, illetve az ahhoz közeli állapotok. Az V4 ábra segítségével egy, lebegés környezetében kialakuló folyamatot kísérhetünk figyelemmel. V.4 ábra: Helikopter viselkedése lebegésben A helikopterek és az autogírók úgynevezett inga stabilitással rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy a rotoron keletkező eredő légerő ( ) viszonylag magasan a súlypont felett keletkezik Ezt „felfüggesztésnek” tekintve, mondhatjuk,

hogy a súlypont mélyen a felfüggesztés alatt helyezkedik el – erre mondjuk azt, hogy a forgószárnyas repülőgép (mint egy inga) a függőleges helyzet felé igyekszik. Ugyanakkor, a rotor viselkedéséről mondottak értelmében megállapíthatjuk, hogy a lebegésből kilendülő helikopteren a rotor-lapátvég-sík a légáramlás hatására– ahogyan az az V.4 ábrán látható – befelé billen Az eredő erő ( ’ vagy ’’) a rotor-lapátvég-sík billenése miatt pedig ugyanígy billen, azaz a középhelyzet (elméleti, mozdulatlan lebegés) felé mutató összetevője lesz. Ez az erő összetevő pedig a középhelyzethez történő visszatérést elősegíti, illetve túl is lendíti a helikoptert a középhelyzeten. Ez, a pilóta beavatkozása nélkül, növekvő amplitúdójú lengést idéz elő A helikopter tehát lebegésben – az ingastabilitás ellenére – dinamikailag instabil! A helikoptert tehát lebegésben (és más repülési helyzetekben is)

mindig vezetni kell! Vezethet a pilóta, vagy a robotpilóta. Ez az instabilitás akkor nem okoz problémát, ha kézben tartható. A kézben tarthatósághoz pedig, ha a pilóta vezet, az szükséges, hogy a kialakuló, növekvő amplitúdójú lengés lengésideje legyen elegendően nagy (például 2 másodperc, vagy több), azért, hogy az ember tudatos odafigyelés nélkül is vezetni tudja a repülőt. 81 V. Stabilitás és kormányozhatóság Azoknál a rotoroknál, ahol erre lehetőség kínálkozik, csapkodó csukló széthelyezést alkalmazunk – ez látható az V.5 ábrán Az ábrán megrajzoltuk a rotor-lapátvég-síkot és az arra merőleges tengelyt (ennek a gépszerkezettani forgástengelyhez viszonyított billenését a χ szöggel jellemezzük). Erre a tengelyre nézve nincs csapkodó mozgás, ezért ez a valódi forgástengely, erre a tengelyre merőlegesen keletkezik a lapátokra ható centrifugális erő ( C ). V.5 ábra: Csapkodó csukló széthelyezés

Helyezzük át a centrifugális erőt gondolatban a csapkodó csuklóba (V.5 ábra), hiszen a rotorlapátokon keletkező erők a csapkodó csuklón keresztül hatnak a rotoragyra, illetve végeredményben az egész repülőre. Látható, hogy az V5 ábrán vázolt esetben a centrifugális erők közelítőleg erőpárt alkotnak A további számolás egyszerűsítése érdekében tegyük fel, hogy az V.5 ábrán látható, jobboldali lapát éppen a ψ MR = 00 azimút szögnél helyezkedik el, illetve, ennek megfelelően a ∆ℓ 0 távolság a legnagyobb, más azimút szögeknél csak ∆ℓ = ∆ℓ 0 cosψ MR nagyságú az erőkar. Az V.5 ábra alapján felírható az egy lapát legnagyobb nyomatéka, amely valamely ψ MR azimút szögnél (V.6 ábra) keletkezik: M 1 (ψ MR ) = C ( ∆ℓ 2 ) = C e sin φ cosψ MR (V.1) V.6 ábra: A csapkodó csukló széthelyezéséből származó nyomaték Vetítsük ezt a nyomatékot – az V.6 ábrának megfelelően – az yMR tengelyre: M 1

cosψ MR = C e sin φ cos 2 ψ MR (V.2) 82 V. Stabilitás és kormányozhatóság Az (V.2) kifejezéssel meghatározott nyomaték – kétlapátos rotor esetén – nem állandó, mert a cos 2 ψ MR + cos 2 (180 + ψ MR ) összeg értéke az azimút szög függvényében, nulla és kettő között változik – ez egyszerű számolással belátható. Három lapátra azonban a cos 2 ψ MR + cos 2 (120 +ψ MR ) + cos 2 ( 240 + ψ MR ) összeg az azimút szögtől függetlenül állandó (értéke 1.5) Az összeg négy, vagy négynél több lapát esetén is állandó Ezek szerint a legalább három-lapátos rotorok esetében a csapkodó csukló széthelyezés a χ szöget csökkenteni igyekvő, állandó nyomatékot biztosít. Ez pedig olyan hatást jelent, mintha a helikoptert jelképező ingát meghosszabbítanánk. Ezzel a lengésidő csökken – ez pedig pontosan az a hatás, amire a helikopter kellemes vezethetőségéhez szükségünk van A csapkodó csukló beépítését

alapvetően az előrehaladó repülésben, a rotorlapátok egyenlőtlen sebességeloszlása miatt egyenlőtlen légerők (automatikus) kiegyenlítése tette szükségessé (III. fejezet) De, három, vagy többlapátos rotor esetén, a csapkodó csukló széthelyezése az V.4 ábrán vázolt lengő-mozgás lengésidejének növelésével javítja a helikopterek vezethetőségét Kétlapátos rotor esetén pedig, a leggyakrabban nem alkalmaznak csapkodó csukló széthelyezést, vagyis az e = 0 távolságot választják, aminek következtében nem keletkezik a fentiekben tárgyalt, a χ szöget csökkenteni igyekvő nyomaték. Ebben az esetben különösen fontos lehet a lengésidő más módon történő növelése, adott esetben a stabil viselkedés elérése. V.7 ábra: Pörgettyű stabilizátor – mechanikus „robot” A helikopterek elterjedésének a korai éveiben már megjelent például az V.7 ábrán látható, pörgettyűs stabilizátor. Az V7 ábra nagyon vázlatos –

nem látható rajta például az a csillapítás (hidraulikus vagy aërodinamikus) amit ebbe a szerkezetbe feltétlenül be kell építeni. A berendezés működésének az alapja az, hogy az V7 ábrán látható pörgetytyű igyekszik, hogy megtartsa a forgássíkját 83 V. Stabilitás és kormányozhatóság Nagyon egyszerű magyarázat szerint a pilóta a rotort a beállítás szög szabályozó tácsa billentésével vezeti, a billentés hatására a vezérlés a keverő-himbán keresztül adódik át a rotorra, miközben a keverő-himba pörgettyűhöz kapcsolódó vége helyben marad. Ezt ugyanis fix pontnak tekinthetjük, hacsak a pörgettyű tartja a forgássíkját. Ha viszont a pilóta nem avatkozik be, de – valamilyen zavarás következtében – a helikopter és vele a főtengely valamerre elbillen, akkor a keverő-himba beállítási szög szabályozó tárcsához csatlakozó vége lesz forgáspont és a forgássíkját tartó, tehát a helikopterhez képest

elbillenő pörgettyű „vezeti” a rotort. Ez látható az V8 ábrán, ahol a rotor-lapátvég-sík a „Jobb”, illetve a „Bal” helyzetben, az V.4 ábrával ellentétben nem befele billen, hanem – a pörgettyű vezérlésének megfelelően – nagyjából vízszintes marad. Ennek következtében a helikopter viselkedése labilis helyett közelítőleg indifferens lesz Ettől kezdve a vezetés jóval kisebb munka-terhelést jelent V.8 ábra: Pörgettyű hatása a helikopter rotor viselkedésére Ez a mechanikus vezérlő rendszer azonban csökkenti a helikopter mozgékonyságát és a viszonylag bonyolultabb szerkezet miatt valamelyest nő a súly és a meghibásodások valószínűsége is nagyobb lesz. Ezért, ilyen elrendezésű rotort, illetve helikoptert ma már lényegében nem gyártanak. Helyette az V9 ábrán sematikusan vázolt, elektronikus számítógépre alapozott megoldást választanak. V.9 ábra: Hossz-csatorna vázlata 84 V. Stabilitás és

kormányozhatóság Az V.9 ábrán egy, úgynevezett (magassági) kormányzási csatorna vázlata látható A pilóta a botkormány elmozdításával, beállításával határozza meg a referencia állapotot. A robot pedig a „változó hosszúságú rúd” hosszának változtatásával stabilizálja ezt az állapotot. (A hosszúságot változtatni általában hidraulikusan vagy elektromechanikusan lehet A kormányvezérlés sok helikopteren hidraulikus, általában visszahatás nélküli rendszert alkalmaznak, azaz a vezérlő tolattyún kifejtendő erőre nincs hatással a munkahenger által kifejtendő erő. Annak érdekében azonban, hogy a kormány a pilóta számára barátságosan működjön, terhelő rugót alkalmaznak – e rugó ereje a kormánykitéréssel arányosan változik, ezzel teszi a pilóta számára érzékelhetővé a kormányhelyzetet Adott esetben dupla rugót is alkalmaznak, hogy a nagyobb kitérésnél érezhetően megnövekedjen a kormányerő. A

barátságos működést segíti az V.9 ábrán látható, „m” terhelő tömeg is Tegyük fel, hogy a pilóta felvételben vezeti a helikoptert – ilyenkor túlterhelés keletkezik, illetve ennek megfelelően az „m” tömegre ható súlyerő is megnő. Ez igyekszik a botkormányt előre mozdítani, amit a pilótának járulékos erő kifejtésével kell ellensúlyozni Így érzékeli a pilóta a túlterhelést – illetve így képes a túlterhelésnek megfelelően vezetni a repülőgépet. Az V.9 ábra bal oldalán látható kettős-nyíl „Trimm” felirattal arra utal, hogy a terhelő rugó bal talp-pontja elmozgatható. Ezen a módon lehet beállítani, hogy a hosszan fennálló repülési állapotokban (pl egyenletes sebességű utazó repülés) a kormányerő nulla legyen, így a pilótának ne kelljen mindig erőt kifejtenie V.3 Néhány szó az autogírókról V.10 ábra: Alacsony súlypontú autogíró Induljunk ki egy egyensúlyi állapotból (V.10, bal oldali

ábra): a rotor eredő erejének ( ) pozitív nyomatékát a légcsavar tolóerejének ( F P ) és a vízszintes csillapító felületen ke- 85 V. Stabilitás és kormányozhatóság letkező erőnek ( R HT ) a negatív nyomatéka kiegyenlíti. (A törzs légellenállásának hatását elhanyagoljuk.) Vagyis erő- és nyomatéki egyensúly van Tegyük fel, hogy a rotor-lapátvég-sík valamilyen ok miatt (pl. légköri turbulencia) elő′ < αTP ) – ekkor a rotoron keletkező eredő erő (ez az erő a rotorlapátvégre billen ( α TP síkra körülbelül merőleges) is előre billen és csökken (V.10 jobb oldali ábra) Ekkor a nyomatéki egyensúly megszűnik: az V.10 ábra szerinti esetben csak negatív nyomaték ébred – a gép intenzív orra-billenésbe kezd. Ez további rotor-lapátvég-sík állásszög csökkenéshez vezet, ez tehát statikailag instabil repülési állapot. Ebben az esetben (nagyon) határozott botkormány húzásra van szükség, amellyel a

zuhanás elkerülhető – jóllehet soha nem szabad megfeledkezni arról, hogy a forgószárny reakciója körülbelül negyed-fordulatnak megfelelő időkésleltetéssel bír Gázadással, azaz a légcsavar tolóerejének növelésével a repülési helyzet csak rontható (egyébként ezt nevezik angolul PowerPushover-nek – röviden PPO-nak) Az autogírókkal (és a helikopterekkel is) általában kerülni kell a „nulla-g”-nek nevezett repülési állapotokat, amikor a súlyerőt a centrifugális erő egyenlíti ki. Az ilyen repülési állapotban a rotor működése (a csapkodó mozgás – lásd később) is problémássá válhat. Az alacsony súlypontú autogírók tehát, adott esetben, veszélyesek lehetnek, gondoskodni kell arról, hogy erről a lehetséges veszélyhelyzetről a pilóták tudomást szerezzenek. Illetve alacsony súlyponthelyzetű gépnek mindig kell, hogy legyen vízszintes vezérsíkja (másképpen vízszintes csillapító felülete), hogy elkerülhető

legyen a nagysebességű repülésben az orra fordulás és lezuhanás A rotor-lapátvég-sík állásszögének növekedése értelemszerűen vizsgálható, de az ilyen problémát nem okoz V.11 ábra: Magas súlypontú autogíró A magas súlyponthelyzetű autogírók vizsgálatában induljunk ki megint egy, egyensúlyi állapotból (V.11 ábra, baloldal): a rotor eredő erejének ( ) negatív nyomatékát a légcsavar tolóerejének ( F P ) pozitív és a vízszintes csillapító felületen keletkező erőnek ( R HT ) a negatív nyomatéka egyenlíti ki. (A törzs légellenállásának hatását elhanyagoljuk) Vagyis erő- és nyomatéki egyensúly van 86 V. Stabilitás és kormányozhatóság Tegyük fel, hogy a rotor-lapátvég-sík valamilyen ok miatt (pl. légköri turbulencia) is′ < αTP ) – ekkor a rotoron keletkező eredő erő (ez az erő a mét előre billen ( α TP rotorlapátvég-síkra kb. merőleges) is előre billen és csökken – V11, jobb oldali ábra

Ezzel a nyomatéki egyensúly megszűnik, a rotorerő karja nő, de maga az erő csökken – e két változás viszonyától függően kisebb mértékű orrleadó, de akár orremelő nyomaték is keletkezhet. Ez utóbbi esetben az autogíró statikai stabil lesz, de a legrosszabb esetben is jóval kisebb a negatív nyomaték, mint az alacsony súlypontú esetben. A gázadás pedig orremelő nyomatékot jelent, tehát segít kiemelni a gépet a zuhanásból. A vezethetőség szempontjából tehát a magas súlypont helyzet – bár ezt szerkezetileg nehezebb elérni – jóval barátságosabb, mint az alacsony súlypont helyzet. Ezzel azonban megjelenik egy sajátos probléma: mivel a súlypont helyzet változhat, azért a pilótának felszállás előtt a függőleges súlypont helyzetet is meg kell ismernie, hogy tudja: repülés közben mire kell számítania. Különösen akkor fontos ez, amikor a súlypont helyzet magasságának vagy alacsonyságának az értéke kicsi! Egyes

autogírók esetében előfordulhat, hogy valamely lengést a pilóta – mivel a szóban forgó folyamat lengésideje nagyjából azonos a pilóta reakció idejével – a megfelelő kormányszerv mozgatásával saját maga erősít fel. Ezt nevezzük a pilóta által indukált lengésnek (angolul: Pilot Induced Oscillation – PIO). Erről a pilóta közvetlenül nyilván nem tehet, de közvetve igen, mivel előre fel kell készülnie egy ilyen folyamatra, tudatában kell lennie annak, hogy a forgószárny a kormányzásra eleve egy-negyed fordulat megtételének megfelelő idővel később reagál. Ezért, egyes esetekben úgy tűnhet, hogy a gép nem reagál. A megoldás ilyenkor nem túl bonyolult: egyszerűen nem szabad ellenkormányozni, meg kell várni, amíg a lengés a gép saját csillapításának hatására lecseng Az általános kormányzás közben pedig – nyilvánvalóan – kerülni kell a hirtelen kormány-mozdulatokat. Napjainkban az autogírók döntő többsége

merev vagy változtatható beállítási szögű légcsavarral van felszerelve. Ezek a légcsavarok lényegében merevnek tekinthetők, illetve rajtuk emiatt – például a kereszttengely körüli forgásból származó szögsebesség miatt, amit a magassági kormány előre-hátra mozgatásával idézünk elő – precessziós nyomaték keletkezik. Ez a precessziós nyomaték az autogíró orrát jobbra-balra igyekszik mozgatni Ez a mozgás különösen jelentős lehet kis repülési sebességeknél, amikor a függőleges vezérsík csillapító hatása kicsi (A jelenséget angolul „Unwanted Low Speed Yaw”nak nevezik) A leszállásnál például, amikor a sebesség eleve kicsi kell legyen, kerülni kell a hirtelen, intenzív magassági kormány mozgatást. Megismételjük itt, amit az I. fejezetben már említettünk: az autogíróknak van minimális repülési sebessége (I9 ábra), miközben a sebesség csökkenésével nem jön létre a merevszárnyú repülőgépeken

jelentkező átesés Ennek megfelelően meg lehet kísérelni a minimális sebességnél kisebb sebességű repülést is (angolul: Flying behind the power curve), de errefelé nyilván nem alakulhat ki egyensúly, a repülő általában süllyedni fog. Ebből a helyzetből – ha ennek nincs nyomós akadálya – akkor a sebesség növelésével le- 87 V. Stabilitás és kormányozhatóság het kikerülni. Ez persze magasságvesztéssel jár, de a magasságvesztés mindenképpen létrejön. A fejezet lezárásaként megemlítünk még két, rezonancia problémát. Az egyik a talaj rezonancia (angolul: Ground resonance), amelyben a gerjesztés a valamely mértékben kiegyensúlyozatlan, forgó tömeg (a rotor), a tömeg a gép tömege és a rugót a földön támaszkodó futómű rugózása jelenti. Amennyiben a gerjesztő frekvencia megközelíti a rugó-tömeg rendszer sajátfrekvenciáját, akkor rezonancia áll elő, Ennek következtében a gép, ugrálni kezd, rossz esetben

felborul és a forgó rotor összetörik. A talajrezonancia – jól konstruált autogíró esetében – nem áll elő, ha mégis fellépne, az valamilyen probléma (például a rotorlapátok aszimmetrikus sérülése) miatt következhet be. A talajrezonancia jóval komolyabb probléma a helikopterek esetében, ahol – a kellő csillapítás érdekében – a rotor működési fordulatszámának megfelelő frekvencia általában a rezonancia frekvenciánál magasabb. Ezért a helikopter rotorok fordulatszám növelése során (a rotor felpörgetése folyamán), lehetőleg gyorsan kell áthaladni a rezonancia tartományon A másik rezonancia probléma szintén a rotorhoz kapcsolódik, rossz esetben előfordulhat, hogy a túl nagy csapkodási szög miatt a rotorlapátok a működésük közben felütköznek a mozgáshatároló ütközőjükön (ennek angol elnevezése: Mast Bumping). Ilyen problémához vezethet a túl alacsony rotor fordulatszám, illetve a kis rotor-terhelés

(például a „nulla-g” repülési állapot). A jelenség elkerülhető, ha a pilóta figyel arra, hogy a rotoron mindig megfelelő terhelés legyen (pl. kerüli a túl intenzív átnyomást), illetve guruláskor magas fordulatszámot igyekszik tartani Ez a munka egyáltalán nem teljes, minden pontjához sok-sok további ismeret lenne hozzáfűzhető. A munkát leginkább vitairatnak mondanám: az egyik kiinduló pontja lehet a kérdéskörrel történő foglalkozásnak A lehető legnyomatékosabban hangsúlyozom azonban, hogy bármely állítás elfogadása vagy elvetése a Tisztelt Olvasó feladata: kellő megfontolás után az „azért igaz, mert.” vagy az „azért nem igaz, mert” gondolatsort korrekt módon végig kell vinni és ennek alapján kell, lehet érdemi végeredményre jutni! 88 F1. Jelölésjegyzék A C vagy C felület; centrifugális erő; cL = cL (α ,) felhajtóerő tényező; c D = c D (α , ) ellenállás tényező; DL D vagy D felületi

terhelés (Disk Loading); ellenállás erő; e EVK csapkodó csukló széthelyezési távolsága; egyesített vezérlőkar; az eredő légellenállás számításhoz szükséges tényező; erő (pl. az áramló levegőre ható erő); E F vagy F F P vagy FP propulziós erő; f dinamikus rúd bekötési távolsága (beállítási szög szabályozásnál); G vagy G súly(erő); h hTR húrhossz; a farokrotor lapát húrhossza; H a forgószárny eredő erejének „vízszintes” ( xMR vagy H H H ST irányú) összetevője; magasság, pl. repülési magasság; statikus csúcsmagasság; H DIN dinamikus csúcsmagasság; Iɺ0 vagy Iɺ0 Iɺ3 vagy Iɺ3 J = V0 (n mp D) k L vagy L mɺ MR M MTOM MTOW ( J = Λ0 π ) időegységre eső, belépő mozgásmennyiség változás; időegységre eső, kilépő mozgásmennyiség változás; előrehaladási fok (légcsavar); dinamikus rúd bekötési távolsága (beállítási szög szabályozásnál); felhajtóerő;

tömeg-áram; indexben, főrotor; Mach szám; maximális felszálló tömeg (Maximum Take Off Mass); maximális felszálló súly (Maximum Take Off Weight); 89 F1. Jelölésjegyzék N MR lapátszám a főrotoron; NTR lapátszám a farokrotoron; Q vagy Q kerületi (tangenciális) erő; PL PSZ teljesítmény-terhelés (Power Loading) repüléshez szükséges teljesítmény; PREND rendelkezésre álló teljesítmény; Pindukált a vonóerő teljesítménye; Pkáros a légellenállás ellenében kifejtett teljesítmény; Pprofil a profilellenállás ellenében kifejtett teljesítmény; a farokrotor forgatásához szükséges teljesítmény; ciklikus és kollektív kormányzást jellemző méret; kollektív és ciklikus kormányzást jellemző együtthatók; kerületi (tangenciális) erő; Pfarokrotor p p0 , p1 , p2 és p12 Q vagy Q RMR ill. DMR csapkodó mozgást jellemző méret; rotor-lapátvég-sík (Tip Path Plane – TPP ); a forgószárny sugara, ill.

átmérője; a főrotor sugara, ill. átmérője; RTR ill. DTR a farokrotor sugara, ill. átmérője; q RLVS R ill. D RSV eredő erő (pl. a főrotoron); a dinamikus rúd forgástengelytől mért távolsága; a semleges kör sugara (autorotáció); R HT eredő légerő a vízszintes vezérsíkon; r0 S a forgószárny eredő erejének oldalirányú összetevője; autorotációs munkapontok; vagy S S1 , S 2 idő; a forgószárny eredő erejének forgástengely irányú összetevője (emelő erő); a farokrotor eredő erejének forgástengely irányú összetevője (emelő erő); kerületi sebesség; t T T TR vagy T vagy TTR U vagy U V (V = − V 0 ) V M és V T vagy V az egész forgószárny levegőhöz viszonyított haladási sebessége („külső, álló megfigyelő szempontjából szemlélve”) – repülési sebesség; a repülési sebesség rotor-lapátvég-síkra merőleges és azzal párhuzamos összetevője; 90 F1. Jelölésjegyzék vCSAP a

zavartalan légáram forgószárnyhoz viszonyított haladási sebessége („szélcsatorna szemlélet” = „együttmozgó megfigyelő”); eredő és távoli eredő sebesség (átlagos, „szélcsatorna szemlélet”); eredő és távoli eredő sebesség (átlagos, „külső megfigyelő”); tengelyirányú (axiális), közeli, átlagos indukált sebesség („szélcsatorna szemlélet” szerint); tengelyirányú (axiális), közeli, változó indukált sebesség („szélcsatorna szemlélet” szerint); tengelyirányú (axiális), közeli, átlagos indukált sebesség („külső megfigyelő” szerint); tengelyirányú (axiális), közeli, változó indukált sebesség („külső megfigyelő” szerint); tengelyirányú (axiális), közeli, átlagos indukált sebesség lebegésben vagy függeszkedésben („szélcsatorna szemlélet” szerint); a csapkodó mozgás sebessége; VGAZD gazdaságos repülési sebesség; VMIN és VMAX minimális és maximális repülési sebesség;

VMAX , MAX a legnagyobb maximális repülési sebesség; (V 0 = − V ) V0 vagy V0 sz sz VRsz és VRTsz vagy V R és V RT VR és VRT vagy V R és V RT (v sz vi sz = − vi (v viV vagy visz = − vi sz i ) vagy v i vagy viV (v sz viF sz iF = − viF wi vagy wi W ) vagy viVsz viV vi sz i ) vagy viFsz sz és wi vagy wisz vagy W eredő, közeli, átlagos indukált sebesség; a lapátmetszet közeli eredő sebessége („külső megfigyelő szempontjából szemlélve”); xMR „x” koordináta a főrotor rendszerben; xF „x” koordináta a főrotorral együttforgó koordináta rendszerben; xL „x” koordináta a rotorlapáthoz rögzített koordináta rendszerben (a lapát hossztengelye); yMR „y” koordináta a főrotor rendszerben; yF „y” koordináta a főrotorral együttforgó koordináta rendszerben; yL „y” koordináta a rotorlapáthoz rögzített koordináta rendszerben; zMR „z” koordináta a főrotor

rendszerben; zF „z” koordináta a főrotorral együttforgó koordináta rendszerben; zL „z” koordináta a rotorlapáthoz rögzített koordináta rendszerben (a lapát hossztengelye); 91 F1. Jelölésjegyzék α állásszög; lapátmetszet állásszöge (általános esetben, a húrvonalhoz viszonyítva); a rotor állásszöge a forgástengelyre merőleges (megfelelő!) egyenes és a repülési sebesség közötti szög; a rotor-lapátvég-sík állásszöge; α PR α MR αTP βL rotorlapát csapkodási szöge; γ = arctan ( cD cL ) lapátmetszet siklószöge; δ δV 0 kormánymechanizmust jellemző szög; csapkodó csukló beépítési szöge; ∆δ ∆ϑM kormányvezérlés eltolását jellemző szög; matató mozgás miatti beállítási szög változás; δL ϑ ϑ0 matatási szög; ∆ϑ kormányzás és csapkodás csillapítás miatti beállítási szög változás; matató mozgás miatti beállítási szög változás; lapátmetszet beállítási

szöge; a lapát alap beállítási szöge (~elcsavarás); ∆ϑM ρ σ σ MR σ TR a levegő sűrűsége; kormánymechanizmust jellemző szög; a főrotor befedési tényezője; ϕ sebességi sokszög jellemző szöge, a közeli indukált sebességek figyelembe vételével; a rotor gépszerkezettani tengelye és a rotor-lapátvégsíkra merőleges tengely közötti szög; azimút szög; (főrotor) lapát azimút szöge; a farokrotor befedési tényezője; χ ψ ψ MR ψ CS ψ MK ψK csűrőkormányzás bekötési szöge; magassági kormányzás bekötési szöge; a dinamikus rúd azimút szöge; a kormányzás sietési szöge (a rotorlapát késési szöge); szögsebesség; ψS ω ω Ω, Ω = ( n 2 π ) / 60 = nmp 2 π körfrekvencia; a forgószárny szögsebessége (általában); Ω MR a főrotor szögsebessége; ΩTR a farokrotor szögsebessége; 92 Irodalomjegyzék Átfogó, általános művek [1] BRONSTEJN, I.N – SZEMENGYAJEV, KA – MUSIOL, G –

MÜHLIG, H: Matematikai kézikönyv TypoTEX Kiadó, Budapest, 2000 [2] GREENWOOD, D.T: Advancd Dynamics, Cambridge University Press, 2003 [3] GRÚBER, J.: (szerk) Ventilátorok, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968 (2 kiadás) [4] GYETVAI, J.: Repülési ismeretek I Mezőgazdasági Főiskola, Nyíregyháza, 1983 [5] MCCORMICK, B. W: Aerodyamics, Aeronautics, and Flight Mechanics, John Wiley & Sons, New York, 1979 [6] NAGY, K.: Elméleti mechanika, Tankönyvkiadó, Budapest, 1985 [7] SZABÓ, J. (FŐSZERK): Repülési lexikon, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1991 Az áramlástan alapjai, aërodinamika [8] ANDERSON, J.D: Fundamentals of Aerodynamics, McGRAW Hill, New York, 2001 [9] BOHL, W.: Műszaki áramlástan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983 [10] GAUSZ, T.: Áramlástan Internetes jegyzet, Budapest, 2012 (wwwdoksihu) [11] GAUSZ, T.: Bevezetés a forgószárnyak aërodinamikájába - Internetes jegyzet, Budapest, 2015 (wwwdoksihu) [12] GRÚBER, J. – BLAHÓ, M: Folyadékok

mechanikája Tankönyvkiadó, Budapest, 1971 [13] GRÚBER, J. – SZENTMÁRTONY, T: Gázdinamika, Tankönyvkiadó, Budapest, 1952 [14] HOSEK, J.: Aerodynamika vysokych rychlosti Nakladatelstvi Nase Vojsko v Praze, 1949 [15] HOUGHTON, E.L – CARPENTER, PW: Aerodynamics for Engineering Students; Butterworth-Heinemann, 2003 [16] KATZ, J. – PLOTKIN, A: Low-Speed Aerodynamics, McGRAW Hill, New York, 1991 [17] KUETHE, A.M – CHOW, C-Y: Foundations of Aerodynamics, John Wiley&Sons, 1986 [18] LAJOS, T.: Az áramlástan alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2004 [19] NÉMETH, E.: Hidromechanika, Tankönyvkiadó, Budapest, 1963 [20] SCHADE, H.- Kunz, E: Strömungslehre, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1980 [21] SCHLICHTING, H. – TRUCKENBRODT, E: Aerodynamics of theAirplane, McGRAW Hill, New York, 1979 Szárnyprofilok, szárnyak [22] ABBOTT, H.I – DOENHOFF, A E: Theory of Wing Sections, Dover Publications, 1959 [23] HOOKER, R.W: The Aerodynamic Characteristics of Airfolis as

Affected by Surface Roughness, NACA Rep No.457, 1933 [24] MORIARTY, P.J:AeroDyn Theory Manual, wwwnrelgov, 2004-2005 [25] POPE, A.: Basic Wing and Airfoil Theory, McGRAW Hill, New York, 1951 [26] RÁCZ, E.: Repülőgépszárnyak kialakításának légerőtani szempontjai, Mérnöki Továbbképző Intézet, 1945 [27] RIEGELS, F.W: Aerodynamische Profile, R Oldenburg, München, 1958 [28] XFLR5 http://www.xflr5com/xflr5html 93 Irodalomjegyzék Légcsavarok [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] ALEKSZANDROV, V. L: Légcsavarok Tankönyvkiadó, Budapest, 1953 BIERMANN, D. – HARTMAN, E P: The aerodynamic characteristics of six full-scale propellers having different airfoil sections, NACA Report No. 650 DRELA, M.: QPROP Formulation MIT Aero & Astro, 2006 LARRABEE, E, E.: Propellers for Human-Powered Vehicles, Human Power, Vol 9 No. 2 1984 GAUSZ, T.: Légcsavarok, Internetes jegyzet, Budapest, 2015 (wwwdoksihu) GLAUERT, H.: Die Grundlagen der Tragflügel- und

Luftschraubentheorie; Springer Verlag, Berlin, 1929 REISSNER, H.: A Generalised Vortex Theory of the Screw Propeller and its Application; NACA TN 750, 1940 WALD, Q. E: The Aerodynamics of PropellersScienceDirect, 2006 Szélkerekek [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] ACKERMANN, T.: Wind Power in Power Systems, John Wiley&Sons, 2005 BURTON, T.- SHARPE, D – JENKINS, N – BOSSANYI, E: Wind Energy Handbook, John Wiley&Sons, 2001 GASCH, R. – TWELE, J: Windkraftanlagen Teubner Verlag,Wiesbaden, 2005 HANSEN, M.LO: Aerodynamics of Wind Turbines, EARTHSCAN, London, 2008 HAU, E.: Windkraftanlagen Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2003 JHA, A.R: Wind Turbine Technology, CRC Press, 2011 MANWELL, J.F – MCGOWAN, JG: Wind Energy Expalined, John Wiley&Sons, 2009 MIKKELSEN, R.: Actuator Disk Methods Applied to Wind Turbines PhD Dissertation, Technical University of Denmark, 2003 PATAY, I.: A szélenergia hasznosítása Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, 2003

SPERA, D.A: Wind Turbine Technology, ASME Press, New York, 2009 WEI, T.: Wind Power Generation and Wind Turbine Design, WIT Press, 2010 Repülés mechanika [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] ABZUG, M.J – LARRABEE,EE: Airplane Stability and Control, Cambridge University Press, 2002. COOK, M.V: Flight Dynamics – Principles, Elsevier, 2007 DISTON, D.J: Computational Modelling and Simulation of Aircraft and the Environment, John Willey & Sons, 2009 ETKIN, B.: Flugmechanik und Flugregelung, Berliner Union Stuttgart, 1966 HAFER, X. - SACHS, G: Senkrechtstarttechnik, Springer Verlag, 1982 RÁCZ, E.: A repülés mechanikája Tankönyvkiadó, Budapest, 1953 STEVENS, B.L – LEWIS, FL: Aircraft Simulation and Contol, John Willey & Sons, 1992. Helikopter - autogíró [55] ABBOTT, P.B: The Gyroplane Flight Manual, The Abbott Company, Indianapolis, 2003, ISBN 1-888723-00-9 94 Irodalomjegyzék Helikopter - autogíró [56] BERA, J. – POKORÁDI, L: Helikopterzaj elmélete és

gyakorlata, Campus Kiadó, Debrecen, 2010 [57] BITTNER, W.: Flugmechanik der Hubschrauber, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2005 [58] BRAMWELL, A.RS – DONE, G – BALMFORD, D: Helicopter Dyanmics, ButterworthHeinemann, 2001 [59] COOKE, A. – FITZPATRIK, E: Helicopter Test and Evaluation Blackwell Science, 2002 [60] GAUSZ, T.: Helikopterek BME Mérnöki Továbbképző Intézet, Budapest, 1982 [61] GESSOW, A. – MEYERS, GC: Aerodynamics of Helicopter Frederick Ungar Publishing Co. (eighth printing) 1985 [62] LEISHMAN, J.G:: Principles of Helicopter Aerodynamics, Cambridge University Press, 2000 [63] PADFIELD, G.D: Helicopter Flight Dynamics, Blackwell Publishing, 2007 [64] NEWMAN, S.: The Foundations of Helicopter Flight, Butterworth - Heinemann, 2003 [65] NIKOLSKY, A.A: Helicopter Analysis, John Wiley & Sons, 1951 [66] PROUTY, R.W: Helicopter Performance, Stability, and Control, Krieger PC INC, Malabar, Florida, 1986 [67] SANDERS, C.J - RAWSON, AH: The Book of the C19

Autogiro, Sir Isaac Pitman & Sons, London, 1931 [68] SEDDON, J. - NEWMAN, S: Basic Helicopter Aerodynamics, Blackwell Science, 2002, ISBN 0-632-05283-X [69] STEPNIEWSKI, W.Z - KEYS, CN: Rotary-Wing Aerodynamics, Dover Publications Inc. 1984, ISBN 0-486-64647-5 [70] SZELESTEY, GY.: Áramlástan III - Helikopter aerodinamika, Repülő Műszaki Főiskolai jegyzet, 1974 [71] TOGNACCINI, R.: Aerodinamica dell’ala Rotante, Universita degli Studi di Napoli Frederico II, 2010 [72] YOUNG, R.A: Helicopter Engineering, The Ronald Press Company, 1949 [73] VILDGRUBE, L.SZ: Vertoleti, Masinosztoenyije, Moszkva, 1977 [74] VOLODKO, A.M: Osznovi aerodinamiki i dinamiki poleta vertoletov, Masinosztoenyije, Moszkva, 1988 [75] WATKINSON, J.: The Art of the Helicopter, Elsevier, Butterworth - Heinemann, 2004 Aëroelasztikus jelenségek – dinamikai terhelés [76] [77] [78] [79] [80] [81] BISPLIGHOFF, R.L – ASHLEY, H: Principles of Aeroelasticity, John Willey & Sons, 1962. FÖRSCHING, H.W:

Grundlagen der Aeroelastik, Springer Verlag, 1974 GAUSZ, T.: Aeroelasztikus jelenségek és dinamikai terhelés, (wwwdoksihu), 2015 HODGES, D.A - PIERCE, GA: Introduction to Structural Dynamics and Aeroelasticity, Cambridge University Press, 2001. DOWELL, E.H (editor): A Modern Course in Aeroelasticity, Kluver Academic Publishers, 1992 WRIGHT, J.R - COOPER, JE: Introduction to Aircraft Aeroelasticity and Loads, John Willey & Sons, 2007. 95