Kako leti helikopter

Oceni ta prispevek
(0 glasov)
06 Jul 07
Napisal Mag. Primož Škufca Prebrano 5614 krat
Za običajne smrtnike, vajene gibanja v dveh dimenzijah, predstavlja zrak za gibanje »neživljenjsko« okolje, ki si ga je podredil z letalnimi napravami, denimo letalom in helikopterjem. čŒe se vlak giblje v dve smeri, načeloma naprej in vzvratno, to pomeni, da se ga lahko krmari z eno samo roko. Avto je že bolj zapleten, gre naprej in vzvratno kot vlak, vendar tudi levo in desno.

rocice_za_upravljanje_helikopterja.jpgSmer spreminjamo s krmilom – volanom, vožnjo naprej ali nazaj pa z menjalnikom, kar teoretično in praktično (za avtomobile z avtomatskim menjalnikom) pomeni, da avtomobil krmarimo z eno roko in eno nogo.

Vsakdo pa, ki je kdajkoli videl pilotsko kabino letala, - sploh ni nujno, da je bil to velikanski jumbo jet - se je lahko prepričal v malce bolj zapleteno napravo – za krmarjenje. Torej je letenje le bolj zahtevno od vožnje po tleh! Letalo gre tako naprej kot levo in desno, za razliko od avtomobila in vlaka tudi še navzgor in navzdol, ne pa tudi vzvratno. Vseeno pa v pet smeri! In pilot potrebuje za krmarjenje eno roko in obe nogi.

Helikopter je še nekolikanj bolj zapletena naprava, kot je letalo, vsaj kar zadeva smer gibanja in krmarjenja naprave. Gre tako navzgor kot navzdol, tako levo kot desno - celo bočno - in tako naprej kot, kar je posebnost letalnikov, vzvratno, poleg tega pase še vrti okoli osi v eno ali drugo smer urinega kazalca. Gibanj torej kolikor hočete, najbolj pomembno pa je pravzaprav »negibanje« v zraku: lebdenje!

ciklicni_hod.jpgOsnovno krmilo helikopterja je ročica cikličnega hoda, podobna ročici pri letalih. Krmari hod vsakega od krakov glavnega rotorja. Vsi ti kraki (ali najmanj par) med vrtenjem tvorijo en sam disk, sprememba cikličnega hoda (izraženo bolj zapleteno in fizikalno ), pa povzroči, da se helikopter nagne, ker ustvari komponento aerodinamične rezultante Ta rezultanta sil dovoljuje, da se helikopter giblje naprej, nazaj ali bočno. Ali bolj preprosto: ko pilot potisne ročico cikličnega hoda naprej, se tudi disk rotorja nagne naprej in usmeri curek pretočnega zraka nazaj, leti pa naprej. In podobno vzvratno in v smeri obeh bokov.

Kadar pilot potisne ročico cikličnega hoda naprej, se tudi disk nagne naprej in usmeri curek pretočnega zraka nazaj. Vodoravna komponenta rotorja je tako zmanjšana, izravnavo doseže pilot s povečanjem vpadnega kota krakov, kar pa stori z ročic kolektivnega hoda.

kolektivni_hod.jpgDruga je ročica za uravnavanje kolektivnega hoda , ki spreminja korak vseh krakov rotorja in jim spreminja nosilnost. Na tej ročici je tudi ročica za uravnavanje vrtljajev motorja. Ročica hkrati nadzoruje korak vseh krakov rotorja, z dvigom ročice pilot poveča naklonski kot vseh krakov sočasno, s tem pa poveča pretok zraka skozi rotor, kar pri istih obratih rotorja povečuje nosilnost. Z zmanjševanjem obratov rotorja se zmanjšuje tudi vzgon, kar lahko privede do kritične hitrosti; v izogib temu je trebna ob povečevanju kota krakov rotorja povečevati tudi moč motorja, ki tako kompenzira povečani upor. Večina sodobnih helikopterjev s turbinskimi motorji ima vgrajen sistem avtomatskega napajanja z gorivom, ki vzdržuje konstantno hitrost vrtljajev rotorja.

Z nožnimi pedali pilot spreminja  korak repnega rotorja in s tem spreminja smer  helikopterja po navpično osi. Gre pravzaprav za rotor za uravnovešanje reakcije vrtilnega momenta, ki ga ustvari rotacija glavnega rotorja. Ponavadi je repni rotor, kar pove že ime, postavljen na repu helikopterja in ga poganja kar podaljšana gred iz istega motorja(motorjev), ki poganja(jo) tudi glavni rotor.

Ob že omenjenih gibanjih v vseh smereh, največja prednost pri tem sta vertikalen dvig in/ali spust, pa ima helikopter še eno bistveno prednost pred vsemi letalniki: lebdenje v zraku. In med tem lebdenjem lahko pilot obrača helikopter okoli svoje navpičnice in si tako ogleduje vse okoli sebe.

artikulirani_rotor.jpgOsnovna vzgonska površina helikopterja je glavni rotor, pravzaprav bi krake glavnega rotorja lahko primerjali kar s krili, ki se vrtijo. Predstavljamo si lahko krili (ali več), pritrjeni na osrednjo gred , ki se vrti. Vse skupaj podobno ventilatorju pod stropom. Vrteči kraki rotorja so aerodinamično zasnovani enako kot krila letala. Z izjemo, da so kraki helikopterskega rotorja pač tanjši in ožji, saj se morajo vrteti zelo hitro. Torej je v tem primeru vrteče helikoptersko krilo imenovano preprosto glavni rotor. In ko temu glavnemu rotorju dodamo potem samo še vpadni kot posameznih krakov (kril) in poženemo gred v vrtenje, že začne nastajati potreben vzgon za letenje.

Glavni rotor je tudi sicer najpomembnejši del letalnika – helikopterja, saj zagotavlja za letenje potrebni vzgon, ravno tako pa so potem pomembne še krmilne površine, s katerimi nadzoruje pilot gibanje – letenje, obračanje, menjavo višine ipd. Pri vrtenju krakov rotorja nastajajo seveda ogromne obremenitve, ki jih mora ta najpomembnejši sklop helikopterja vzdržati. Torej mora biti rotor izredno trden.

In kako držati helikopter v smeri, saj glavni rotor s svojim vrtenjem povzroča vrtilni moment, ki ga je potrebno izničiti, da bi se helikopter zaradi tega ne vrtel okoli navpične osi? Običajno in največkrat je to pri helikopterjih rešeno z repnim rotorjem, ki ustvarja potisk, ravno tako kot na primer letalski propeler. Prav ta potisk potem preprečuje vrtenje helikopterja. Z nožnimi pedali pilot spreminja korak repnega rotorja - potisk - in s tem spreminja smer helikopterja po navpični osi. Gre pravzaprav za rotor za uravnovešanje reakcije vrtilnega momenta, ki ga ustvari rotacija glavnega rotorja. Ponavadi je repni rotor, kar pove že ime, postavljen na repu helikopterja in ga poganja kar podaljšana gred iz istega motorja (motorjev), ki poganja tudi glavni rotor.

Smeri vrtenja rotorja in repnega rotorja ter vrtilnega momenta
smeri_vrtenja.jpgTa repni rotor je lahko tudi oplaščen, torej v nekakšnem kanalu. Učinek je enak, le da je oplaščeni rotor tišji, imenujejo pa ga fenestron. Prav lahko pa repni rotor nadomestijo z šobo za iztekajoče pline. Plini iztekajo v nasprotni smeri vrtilnega momenta in tako preprečujejo, da bi se trup (helikopter) zavrtel. Razvili so ga ameriški proizvajalci, sistem pa poimenovali NOTAR – brez repnega rotorja. Znana ameriška inovativna družba za proizvodnjo specialnih helikopterjev in tehnološko najbolj zahtevnih delov za letala Kaman je razvila tehnologijo dveh sinhronizirano nasproti vrtečih rotorjev, ki imata osi postavljeni pod kotom. Ob tej so konstruktorji zasnovali še več rešitev, ena sta na primer dva rotorja – koaksialna - na isti gredi, ki se vrtita v obratni smeri, kot na primer pri helikopterjih ruskega proizvajalca Kamov, ali pa sta rotorja vsak sebi na skrajnih delih trupa, prav tako pa se vrtita v obratni smeri. Takšno rešitev so uporabili med drugim pri helikopterju CH-47 chinook. Tudi pri namestitvi rotorjev na koncu kril, kot na primer pri konvertiplanu V-22, se rotorja vrtita v nasprotni smeri.

Pogonski sklop
Ta del helikopterja sestavljajo trije sklop:, bistveni je turbogredni motor, potem še reduktor in transmisije.

turbogredna_motorja_helikopterja_mi-8_mtv1.jpgTurbogredni motorji so pravzaprav tisti, ki so ustvarili helikopter kot varno in zanesljivo zračno-transportno sredstvo, batni motorji namreč niso dali želenih rezultatov iz več vzrokov, bistveni pa je bil dosti večja poraba goriva, s tem pa primerno krajši dolet, pa tudi velikost je bila za ustrezno enako moč bistveno večja pri batnih motorjih, kot je pri turbinskih.

Turbinski motor je pravzaprav podoben kot pri turbopropelerskih motorjih, pripada praktično isti družini. Običajno ga sestavljata enogredni sistem in prosta turbina (prosta zato, ker gre večji del energije na prosto turbino, ki ni mehansko povezana s turbino za pogon kompresorja), glavni deli pa so dovodnik (zajemnik) zraka , kompresor, zgorevalna komora, turbina, prosta turbina, izpušni sistem, ohišje pogona motorja in reduktor motorja. Dva, lahko bi rekli ravno tako pomembna podsistema, pa sta naprava za zagon motorja in podmazovalna naprava.

Zajemnik-dovodnik zraka je profiliran kanal na prednji strani, skozi katerega se uvaja zrak v kompresor, pri tem konstruktorji motorja poskrbijo, da so izgube čim manjše in zračni tok čim manj moten zaradi stabilnosti tokovnega polja pred komresorjem. Pri velikih hitrostih deluje ta dovodnik zraka kot difuzor v katerem se kinetična energija zraka pretvori v potencialno.

vstopnik_za_zrak_cougar_as532al.jpgZrak prihaja v motor skozi vstopnik zraka – profiliran kanal na sprednji strani Zrak potem prehaja v kompresor pri čemer konstruktorji pri zasnovi poskrbijo, da so izgube pri tem karseda majhne in je zračni tok čim manj moten, saj to vpliva na stabilnost tokovnega polja pred kompresorjem. Ta dovodnik zraka hkrati funkcionira kot difuzor, v njem pa se kinetična energija pretvarja v potencialno. Tako stabilen in enakomeren (tok) zraka gre potem v kompresor, bodisi aksialen ali pa centrifugalen (eno ali več stopenjski, pri sodobnih turbogrednih motorjih so kompresorji večinoma večstopenjski), tako stisnjen in že segret zrak gre potem v zgorevalno komoro, v kateri se mu vbrizga še gorivo. Ta zmes goriva in skomprimiranega in segretega zraka se potem vžge in prav nastali produkt zgorevanja potem zagotavljajo potrebno energijo za pogon turbinskega dela motorja, pomožnih pogonskih enot, kot so črpalke in generatorji, zatem pri turbopropelerskem motorju propelerja in v našem primeru namesto tega rotorja. Turbina motorja je preko gredi povezana z kompresorjem, ki z vrtenjem zagotavlja nov zrak in opisani delovni proces se tako ponavlja.

turbogredni_motor_helikopterja_cougar_as532_mk1.gifKadar turbina reakcijskega motorja ne ustvarja potisnega curka ali ne poganja vijaka, temveč rotor helikopterja, imenujemo tak motor turbogredni. Tudi v tem primeru pa mora biti turbinska gred preko reduktorja povezana z rotorjem, da tako zagotovi manjše vrtljaje. Motorji so konstruirani tako, da se večina energije, ki se sprosti v zgorevalni komori, porabi za vrtenje turbine. Izpušni plini zato ob izstopu iz motorja nimajo velike kinetične energije. Prav to dejstvo zagotavlja tem motorjem precej nizko raven hrupnosti.

V ohišju motorja je potem še vrsta različnih naprav, agregatov in napeljav.

pod_pokrovom_bell_206.jpgPomemben sklop je seveda reduktor motorja, ki zreducira število vrtljajev na ustrezno raven ali da zmanjšajo smer vrtenja. Turbogredni motorji dosegajo vrtljaje vse od nekaj tisoč pa celo nad 25.000 obratov v minuti, kar je seveda preveč za rotorje in druge gibljive dele, zato je potrebno te vrtljaje zmanjšati. Tako na primer reduktor v turbogrednem motorju helikopterja SA 332 super puma zmanjša število vrtljajev motorja z 22.800 na 265 min-1 za glavni rotor in na 1279 min-1. Glavni reduktor je jasno tisti, ki zreducira število vrtljajev turbine na želeni število vrtljajev glavnega rotorja; obenem pa prenaša vrtljaje še na reduktor repnega rotorja, poleg tega pa zagotavlja še pogon črpalk za olje in hidravličnega bloka. Stopnja reduciranja obratov znaša v navedenem primeru pri super pumi približno 86 :1 za glavni rotor, za repnega 18 : 1.

Transmisija
Transmisija je namenjena prenosu moči motorja na glavni rotor, pa tudi repni rotor, pa tudi za pogon različnih agregatov in naprav. Tako se transmisije tudi imenujejo po teh sklopih.

glava_rotorja_transportnega_helikopterja_mi-8_mtv1.jpgGorivni sistem sestavljajo gorivni rezervoarji, črpalke za gorivo, filtri, vodi, oddušni vodi in čep za natakanje goriva. Ta sistem je v helikopterjih bistveno preprostejši kot pri letalih, saj so gorivni rezervoarji nameščeni večinoma vzdolž vzdolžne osi helikopterja, pa tudi količina je precej manjša kot običajno v letalu. Vojaški helikoppterji imajo običajno od 3 do 5 gorivnih rezervoarjev, so pa tudi izjeme s samo enim, na primer SA 341 gazelle, ki ima dva.

Avtorotacija
Ko govorimo o pogonu in njegovih sklopih, moramo reči še nekaj o tem, kako se obnaša helikopter v primeru odpovedi motorja. V tem primeru se ne bo preprosto zrušil. Pilot s kolektivno ročico takoj pomakne krake rotorja na majhne vpadne kote (na nož) kar jim zagotavlja avtorotacijo - samovrtenje zaradi zraka, skozi katerega potuje. To helikopterju tudi zagotavlja potreben vzgon, ki pa nikakor ni dovolj velik za zagotovitev horizontalnega leta, omogoča pa kolikor toliko varno prizemljitev. Je pa res, da na primer v primeru odpovedi motorja med lebdenjem na višinah med 10 in 250 m rotor ne dobi potrebne hitrosti vrtenja in zato na teh višinah lebdenje ni priporočljivo. Ima pa vsak helikopter, glede na svojo maso in ostale lastnosti, predpisano število vrtljajev rotorja za takšne primere in pilot se ravna po teh predpisanih vrednostih.

Elektronska oprema
Eden najpomembnejših sklopov helikopterja je elektronska oprema, znotraj te pa navigacijski sistemi. Teh sta dve vrsti, najprej sredstva za določanje položaja helikopterja v letu ali lebdenju na osnovi signalov, ki so zunaj helikopterja, in avtonomna sredstva, ki so v helikopterju.ec_725_kokpit.jpg Osnovna navigacijska sredstva so radijski kompas, radio-goniometer, usmerjeni radijski svetilniki (VOR,TACAN,ILS), hiperbolična navigacijska sredstev (npr. LORAN), taktična navigacijska sredstva (TACAN) in radarska navigacijska sredstva (slednja se delijo potem na helikopterske dopplerske radarje, radarske radijske višinomere) ter na koncu najsodobnejša, satelitska navigacijska sredstva, kot je na primer GPS.

instrumentna_plosca_v_cougarju_sv.jpgVsak helikopter je načeloma opremljen s po dvema radijskima sprejemnikoma-oddajnikoma, radijskim kompasom, giroskopski kompas, radijski višinomer, iterfon in oprema za instrumentalno letenje. Seveda imajo zapletenejšo opremo vojaški in nasploh bojni helikopterji. Predvsem na primer so z navigacijskimi sredstvi dobro opremljeni helikopterji za delovanje nad morjem, manj zapletene navigacijske opreme je v helikopterjih za taktični transport in logistiko.

ah-64d_apache_longbow_kokpit_virboeing.jpg




Posebna oprema
Helikopter je bil nekdaj tipično sredstvo za uporabo zgolj podnevi ali ob zelo svetli noči. Zelo oteženo je bilo že letenje podnevi ob slabem vremenu, sploh pilotom vojaškim helikopterjem, ki potrebujejo zaradi specifičnega načina letenja tik nad tlemi in v zavetju ovir. Vse to je seveda zahtevalo čim boljšo vidljivost, to pa so v skrajnih razmerah omogočile šele naprave, kot je nočnogled, pa tudi sklop in kombinacija drugih naprav in senzorjev, ki podajajo podatke potem na večfunkcionalne zaslone v pilotski kabini, naposled pa tudi že na vizir pilotove čelade.

V času elektrooptičnih naprav druge generacije, so piloti lahko z nočnogledi komajda opazili daljnovode in druge, na primer telefonske vode, pa z zdajšnjimi napravami lahko mirno letijo kjerkoli. Kljub temu je tako, predvsem zelo nizko letenje še vedno zelo zahtevno. Od pilota zahteva poznavanje zemljišča, predvsem pa kondicioniranje, torej redno letenje v nočnih in drugih skrajnih pogojih.

sodobna_pilotska_celada_virec.jpgSeveda pa današnja tehnologija že ponuja vrsto naprav tudi za nočno letenje in celo nočno bojno delovanje s helikopterji. V poštev pride seveda predvsem v vojaškem, spektru, morda do določene mere še v iskalno-reševalnem.

Od civilnih helikopterjev, in pa tistih za bolj splošno rabo,se zelo razlikujejo bojni helikopterji in pa vgrajena oprema v njih. Gre predvsem za namerilni sklop opreme, ki je v zadnjih desetletjih zelo napredoval. Ti bojni helikopterji imajo v nosu ali na »jamboru« nad gredjo rotorja ali nad pilotsko kabino vgrajene, posebne kupole v katerih je cela vrsta opazovalno-namerilnih naprav, od IR do TV ter drugih senzorjev. Najsodobnejša in najfunkcionalnejša naprava je FLIR - IR naprava za opazovanje prednje polsfere,. Gre za sklop naprav, med njimi je termovizijska kamera, tako v opazovalni kot namerilni funkciji. Naslednji element tega sklopa je radar, zatem radijski ojačevalnik ter računalnik za obdelavo video signala. Vse te od senzorjev pridobljene podatke pilot prebira z večfunkcionalnih zaslonov v kabini, lahko pa mu poseben sistem te podatke generira na zaslon na vizirju čelade ali na zaslon pred vetrobranskim steklom – HUD.

ah-64d_apache_longbow_vzdrzevanje_virboeing.jpgZa vojaške helikopterje so prav zaradi nizkega ali nočnega letenja ter letenja v najslabših razmerah zelo priporočljive naprave, ki pilota opozarjajo na ovire. Običajno gre za manjšo napravo – helikopterski radar, ki odkriva ovire in jih posreduje na zaslon v kabini ali na pilotov vizir. Senzor odkrije oviro in posreduje podatek, ko je ovira oddaljena še cel km ali nekaj manj. Takšen radar opazi 3 mm debelo žico v razdalji nad 600 m, debelejšo, 14 mm, pa na 900 m. V povezavi z drugimi senzorji in napravami dobiva pilot jasno sliko nevarnosti, v večini primerov pa tudi zvočno opozorilo.

lepo_vidne_zascitne_plosce_iz_kevlarja_ki_varujejo_pilota_helikopterja_b412_ki_letijo_na_kosovu.jpgSeveda bi lahko našteli še veliko sistemov, ki jih vgrajujejo v današnje helikopterje, vse od sistemov za reševanje posadk v morebitni nesreči do sistemov za javljanje nevarnosti trčenja v zraku, pa sistemov za protielektronsko zaščito. Večina bojnih helikopterjev ima tudi oklepno zaščito, največkrat jo predstavljajo jeklene plošče ali plošče iz kompozitnih predvsem ogljikovih materialov. S to zaščito varujejo člane posadke pred strelivom vsaj kalibrov osebnih orožij, pa vse tja do kalibra 23 mm. Pilot ima običajno zaščiten sedež, tako da sta njegovo telo in glava varna pred kroglami iz lahkega pehotnega orožja. Zaščiteni pa so tudi nekateri vitalni deli helikopterja, od na primer gorivnih rezervoarjev (so iz samozalepne gume) do motorjev in elektronskih sklopov. Zajemniki zraka so prav tako v dosti primerih zaščite s posebno mrežo, ki preprečuje vstop prašnim delcem.

Oborožitev
Posebno poglavje predstavlja oborožitev helikopterjev. Slednja je nekje, preprosto rečeno, med pehotno in letalsko. Zasledili boste tako vgrajene mitraljeze kalibrov od 7,62 mm navzgor, do topov kalibra 30 mm in vodljivih ter nevodljivih raket. eurocopter_tiger_virec.jpgTi raketni izstrelki so bili najprej protioklepni, zdaj se jim vse bolj pogosto pridružujejo izstrelki zrak-zrak za obrambo pred nasprotnikovimi helikopterji ali letali. Pri protioklepnih izstrelkih jih večina izhaja iz kopenskih sistemov, takšna sta na primer TOW in HOTR, oba povrhu vsega še kompatibilna z kopenskimi sistemi. To precej poenostavi oskrbo, saj se helikopter med kratkim postankom lahko oboroži kar s kopenskimi verzijami teh izstrelkov.

Rakete zrak-zrak izhajajo iz letalskih sistemov, na primer AIM-9 sidewinder ali Matra mistral, prav lahko pa izhajajo tudi iz sistemov zemlja-zrak. Naštejemo lahko primere, kot so stinger, igla in drugi, ki jih strelci običajno izstreljujejo z ramena.

Zaradi letalnih lastnosti predstavljajo na helikopterjih zelo učinkovito orožje nevodljive rakete, uporabljajo jih zelo na široko. Na helikopterje, večje in zmogljivejše, pa v nekaterih primerih, čeprav redko, pripenjajo tudi bombe s celo 500 kg.

Pomembno in zelo učinkovito orožje helikopterjev so protiladijski izstrelki, namenjeni uničevanju površinskih plovil, in pa torpedi za protipodmorniški boj.

Nad morjem uporabljajo še dve vrsti posebnih helikopterjev, prvi so opremljeni s sonarji za iskanje in odkrivanje ter slednje podmornic (ti ponavadi tudi nosijo protipodmorniško orožje), naslednji pa so tako imenovani minolovci z (elektromagnetnimi in drugimi) napravami za razminiranje.

Helikopterska prihodnost
bellboeing_v-22_osprey_kokpit_virnavair.jpgO tej je tudi veliko govora, nekaj primerov pa smo tudi podrobneje opisali. Med vojaškimi helikopterji jo vsekakor predstavlja RAH-66 (program je bil ukinjen), bojni izvidnik z uporabo tehnologije slabe radarske opaznosti pri konstruiranju in vseh prednosti, ki jih sicer helikopter nudi: torej vertikalnim manevrom, veliko okretnostjo in hitrostjo. Med transportnimi helikopterji je takšen predstavnik sodobne usmeritve evropski NH90, zagotovo helikopter za prihodnja desetletja z rešitvami, ki se bodo zagotovo uveljavile tudi nasploh v konstrukciji transportnih helikopterjev.

Prihodnost je morda, tu ne moremo biti več tako zanesljivi, v konvertiplanih, če bodo le uspeli preseči nekaj tehničnih pomanjkljivosti, ki so botrovale več nesrečam med preizkušanji V-22. Zagotovo bo vse več elektronike v opremi, kar po eni stani olajšuje delo pilotom, po drugi strani pa zapleta vzdrževalcem, kajti integracija vse opreme, vseh sklopov, senzorjev in celotne elektronike v enovit sistem postaja precej zapletena. Sploh pri današnji veliki konkurenčni ponudbi, ko se proizvajalci s tako imenovanim »Costumizingom« trudijo zadovoljiti prav vsaki kupčevi želji in zahtevi, končni rezultat pa so serije praktično povsem različnih helikopterjev, čeprav so vsi istega tipa in celo z enakimi oznakami. Vse to na račun vgradnje opreme in sistemov po željah njegovega veličanstva današnjega dne : kupca.


Nazaj 
Nazadnje urejano na 0, 31.12.2007 17:29

Oddajte komentar

Prepričajte se, da vnesete vse obvezne podatke, označene z zvezdico (*). HTML koda ni dovoljena.