Helikopter

En helikopter är en luftfarkost som lyfts och drivs framåt av en eller flera stora horisontala motordrivna rotorer (propellrar). Helikoptrar klassificeras som ving-roterande luftfarkoster för att avskilja dem från konventionella luftfarkoster med fast vingkonstruktion. Ordet helikopter kan härledas från det grekiska ordet helix (spiral) och pteron (vinge).

I jämförelse med konventionella flygplan med fast vingkonstruktion så är helikoptrar mycket mera komplexa, mera kostsamma att köpa och använda, relativt slöa, har dålig räckvidd och en begränsning på nyttolasten. De kompenserande fördelarna är manövrerbarhet: helikoptrar kan hovra på platsen, backa, och framför allt starta och landa vertikalt. De är begränsade enbart av bränslepåfyllningsstationer och vikt/altitudbegränsningar. En helikopter kan flyga till vilken plats som helst och landa var som helst där det finns en öppning som är en och en halv rotordiameter stor.

Användningsområden

Det finns många användningsområden för helikoptrar, både militära och civila, däribland trupptransport, infanteristöd, brandbekämpning, bruk i samverkan med fartyg, affärsresor, evakuering av offer (däribland MEDEVAC och luft/havs/bergsräddning), polisiär och civil övervakning, varutransporter (somliga helikoptrar kan bära stora/besvärliga objekt, hängande under dem), eller som en plattform för stillbild-, film- eller televisionskameror.

Historia

Sedan omkring 400 f.Kr. har de kinesiska barnen lekt med en flygande snurra. Som av en händelse gavs bröderna Wright denna leksak när de var små och de fascinerades mycket av den. Denna leksak hade även tidigare kommit till Europa med handeln och har avbildats i en målning från 1463. "Pao Phu Tau" var en bok från 300-talet f.Kr. i Kina som beskriver några av idéerna bakom rotorflygning.

Den första praktiska idén för en helikopter som kunde bära en människa framtogs av Leonardo da Vinci på 1400-talet, men det var inte förrän efter man uppfunnit det motoriserade flygplanet på 1900-talet som verkliga modeller producerades. Utvecklare såsom slovaken Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis Breguet, Paul Cornu, Juan de la Cierva, Emile Berliner, och Igor Sikorsky var pionjärer med denna typ av luftfarkoster. En flygning med den första fullt kontrollerbara helikoptern, Focke-Wulf Fw 61, demonstrerades av Hanna Reitsch 1936 i Berlin, Tyskland.

Den första helikoptern, en Bell 47B, kom till Sverige 1946 och importerades och flögs av Ostermans.

Faror med helikopterflygning

Som med vilket annat motorfordon som helst så kan handlingar utanför säkerhetsramarna resultera i förlorad kontrollförmåga, strukturella skador eller fatala skador. För helikoptrar är farorna synnerligen akuta eftersom de flyger på relativt låg höjd, vilket innebär att man har mindre tid att reagera på plötsliga händelser. Följande lista är några av de potentiella farorna:

Stall av återvändande blad
Genomsjunk
Markresonans
Låg G-kraft
Hantering inom det skuggade området av höjd-hastighetsdiagrammet

Vart och ett av dessa tillstånd är potentiellt farliga och kan var omöjliga att motverka. God flygning kräver handlingar inom säkra flygramar och att man alltid undviker farofyllda moment vad det än kostar.

Generering av lyftkraft

Ett konventionellt flygplan kan flyga eftersom en framåtgående rörelse av dess böjda vingar tvingar luftströmmen nedåt, vilket skapar en motsatt reaktion som kallas lyftkraft. Lyftkraften tvingar vingarna uppåt. En helikopter använder exakt samma metod, med det undantaget att när man förflyttar hela flygmaskinen, så rörs enbart vingarna. Helikopterns rotor kan enkelt anses vara roterande vingar.

heli.fenestron.750pix.jpg EC120B.]]

Genom att rotorn roterar så genereras lyftkraft. Samtidigt genereras en motverkande kraft på flygmaskinen som roterar helikoptern i motsatt riktning. Det vanligaste sättet att motverka vridmomentet vid låga hastigheter är att ha en mindre vertikal propeller, en så kallad stjärtrotor, monterad bak på flygmaskinen. Denna rotor skapar en kraft som arbetar i riktning mot vridmomentet som skapas av huvudrotorn. När kraften från stjärtrotorn är tillräckligt för att upphäva vridmomentet från huvudrotorn så kommer helikoptern inte att rotera runt sin huvudrotoraxel.

Alternativ till en vanlig stjärtrotor är bland andra Fenestron och NOTAR. Fenestron, ursprungligen utvecklad av franska Aérospatiales (idag en del av Eurocopter), består av en rotor/fläkt inbyggd i stjärtfenan. Konstruktionen minskar risken för att stjärtrotorn kommer i kontakt med föremål eller människor och är därmed betydligt säkrare. Det höga antalet blad och deras oregelbundna placering innebär också stora fördelar i avseende buller och vibrationer på grund av fördelaktigare resonansförhållanden. Lösningen kan även ses på det idag nedlagda projektet RAH-Comanche (Sikorsky).Fenestron

NOTAR (NO TAil Rotor) är en lösning utvecklad av McDonnell Douglas (idag en del av Boeing). Konstruktionen saknar, som akronymet antyder, helt stjärtrotor. En del av den nedåtströmmande luften från huvudrotorn leds, med hjälp av en fläkt inuti helikopterns bakre del, genom stjärtbommen. Denna luft trycks sedan ut dels åt sidan genom en dysa längst bak, dels genom två avlånga öppningar i ena sidan på bommen. Dysans öppning kan slutas gradvis för att reglera luftströmmen. Den luft som passerar genom de avlånga öppningarna följer stjärtbommens form och leder med hjälp av Coandăeffekten (coandaeffekt) nedströmmande luft från huvudrotorn runt stjärtbommen. På så vis skapas ”lyftkraft” i sidled, man kan säga att stjärtbommen fungerar som en vinge i luftströmmen från huvudrotorn.NOTAR

Ett annat alternativ som därtill minskar stjärtbommens samt stjärtrotorns vikt, men som tillför andra problem är systemet att använda två stora horisontala rotorer som roterar i motsatt riktning. Några exempel på dessa är Boeing CH-47 Chinook och Kamov Ka-50. Alla dessa system är designade av samma anledning: för att producera en nettorotationshastighet som är noll.

Den mängd kraft som behövs för att förhindra att en helikopter roterar runt sin huvudrotoraxel är signifikant. En stjärtrotor kan använda upp till 30% av maskinstyrkan och denna kraft hjälper inte helikoptern alls att producera lyftkraft eller framåtgående rörelse. För att reducera detta slöseri under marsch så är stjärtfenan vinklad för att producera lyftkraft åt sidan, vilket hjälper att motverka huvudrotorns vridmoment. Vid höga hastigheter är det vanligt att stjärtfenan motverkar hela vridmomentet, vilket frigör mera motorkraft för framdrivning av flygmaskinen. Detta kallas vanligtvis för slipstreaming och kan inträffa vid hovring under vindiga dagar vilket gör hovring svårt.

Flygkontroll

Användbar flygning kräver att flygfarkosten kan kontrolleras i alla tre dimensioner (se flygningens dynamik). I ett flygplan är detta enkelt: små rörliga ytor justeras för att ändra flygplanets form så att den förbipasserande luften pressar det i önskad riktning. En helikopter kommer dock sällan upp till så höga farter att denna metod skulle vara praktisk.

För den vänster-höger horisontella riktningen (gir) används ett anti-vridmomentssystem. Genom att variera lutningsvinkeln på stjärtrotorn så ändras kraften som rörs i sidled. Dubbelrotorhelikoptrar har en differentialväxel mellan de två rotortransmissionerna som kan justeras med en elektrisk eller hydraulisk motor för att producera differentialvridning och därmed svänga helikoptern. Girkontrollerna styrs vanligtvis med anti-vridmomentspedaler på golvet, på samma ställe där konventionella flygplan har sina roderpedaler.

Vid tippning (framåt och bakåt) eller roll (tippning i sidoled) så kan anfallsvinkeln på huvudrotorbladen förändras eller cyklas genom rotationen så att det skapas olika lyftkraft på olika punkter på den roterande vingen. Mera lyftkraft bak på rotorvingen leder till att flygmaskinen tippar framåt, en höjning på vänster sida leder till roll och så vidare. Helikoptrar manövrerar med tre flygkontroller förutom pedalerna. Stigspaken kontrollerar de vridbara rotorbladen, eller anfallsvinkeln på rotorbladen. Detta utförs konstant under den 360-gradiga rotationsplanet på huvudrotorsystemet. När anfallsvinkeln ökas så producerar rotorbladen mera lyftkraft. Stigspaken är vanligen en spak på pilotens vänstra sida, nära hans ben. Genom att öka anfallsvinkeln och genom att öka effektuttaget så får man helikoptern att lyfta.

Gasreglaget (en: throttle) kontrollerar effektuttaget från motorn och är kopplat till rotorn via en transmission. Gasreglaget är ett vridhandtag på stigspaken. Varvtalskontrollen är ett mycket viktigt kontrollorgan för helikopterns hantering på grund av flera orsaker. Helikopterns rotorer är designade att arbeta vid ett visst varvtal. Ifall varvtalet är för lågt så kan ett snabbt motorbortfall ske, mera känt som settling with power. Ifall varvtalet är för högt så kan det orsaka skador på huvudrotorhöljet till följd av de extra krafterna. I allmänhet måste varvtalet hållas inom ett begränsat område, vanligtvis ett fåtal procent. I många kolvmotordrivna helikoptrar, måste piloten hålla koll på motorn och rotorvarvtalet. Piloten manipulerar gasreglaget att bibehålla rotorns varvtal och reglerar därmed luftmotståndets effekt på rotorsystemet. Helikoptrar med turbinmotorer samt vissa kolvmotordrivna helikoptrar använder en servo-feedbackloop i maskinkontrollerna för att bibehålla rotorns varvtal vilket underlättar för piloten som då kan koncentrera sig på sitt rutinansvar för flygningen.

De cykliska förändringarna i vinklingen av bladen vilket leder till att lyftkraften är olika på olika ställen på rotordisken är förklaringen till hur piloten får flygmaskinen att tippa och helikoptern att röra på sig. Cyklingen kontrolleras vanligtvis av en styrspak framför piloten.

När helikoptern rör sig framåt så rör sig rotorbladen på ena sidan i rotorfart plus helikopterns fart och detta kallas framåtgående blad. När bladet rör sig till andra sidan på helikoptern så rör sig rotorspetsen med rotorfart, minus helikopterns fart och kallas följaktligen återvändande blad. För att kompensera den ökade lyftkraften på det framåtgående bladet och den minskade lyftkraften hos det återvändande bladet - eftersom lyftkraften är en funktion av bärytans (en: airfoil) anfallsvinkel och dess relativa flyghastighet - bladens anfallsvinkelgeometri regleras med rotorbladens kontrollersystem och mekanismer som tillåter bladen att flappa upp och ner. Detta faktum (med framåtgående och bakåtgående blad) begränsar fartmöjligheterna hos en helikopter.

Ifall anfallsvinkeln på någon vinge, inklusive rotorbladen, är för hög, så separeras luftflödet ovanför vingen, vilket leder till en omedelbar förlust av lyftkraft och ökning av luftmotståndet. Detta tillstånd kallas aerodynamisk stall. På en helikopter så kan detta ske på tre sätt:

När helikopterns fart ökar så närmar sig de framåtgående rotorbladen ljudets hastighet och genererar chockvågor som stör luftflödet över bladen och som i sin tur leder till förlorad lyftkraft.
När helikopterns fart ökar, så råkar de bakåtgående bladen ut för lägre relativa lufthastigheter och kontrollerna kompenserar med en ökad attackvinkel. Med en tillräckligt låg flyghastighet och en hög attackvinkel är aerodynamisk stall en oundviklighet. Detta kallas överstegring.
Ett lågt motorvarvtal i samband med en ökad anfallsvinkel kommer att orsaka aerodynamisk stall.

Helikoptrar är kraftfulla flygmaskiner, men de kan ändå flyga utan motorkraft genom att använda rotorernas moment och den nedåtgående rörelsen för att tvinga luft genom rotorerna. Rotorerna börjar då fungera såsom en "väderkvarn" och börjar rotera. Denna teknik är känd som autorotation och ger besättningen några få dyrbara sekunder att kvickt hitta ett ställe att sätta ner helikoptern på ifall motorn ger upp.

heli.scout.750pix12.jpg Scout AH.1 (XV134), nu civilregistrerad i Storbritannien.]]

Helikoptrar designas alltid så att om motorn förlorar kraft, så kraftsätts stjärtrotorn eller vridmomentsdifferentialen av autorotationen. Helikoptrar bibehåller alla flygkontroller när de saknar motorkraft.

helikopterkunnare, hjälp till här: En mycket karaktäristisk egenskap hos rotationen är att rotationsaxelns lutning för ett roterande föremål vrider sig i förhållande till omgivningen under rotationen. Detta beror på att när man försöker tippa ett spinnande objekt (som en rotor), så rör den sig i raka vinklar i förhållande till kraften. Detta kallas "gyroskopisk precession". Därmed roteras rotorns kontrollkrafter 90 grader före den önskade rörelsen. Exempelvis kräver en framåtgående rörelse mindre lyftkraft i fören och mera lyftkraft på rotordiskens bakre sida, så piloten för rotationen framåt. Helikopterns kontrollänk roterar lutningskrafterna 90 grader bakåt mot rotorns riktning så att trycket hamnar mot rotorns sidor i stället för dess front och bak.

Det tog uppfinnare många år att identifiera precessionen och att lära hur man skulle arrangera rotationens kontrollsystem för att övervinna detta.

Begränsningar med rotorflygning

Den största enskilda begränsningen för helikoptern är dess låga hastighet. Hastighetsrekordet sattes den 11 augusti 1986 när en engelsk Westland Lynx, med piloten John Trevor Egginton bakom spakarna, kom upp i en hastighet av 400,87 km/h. Det finns flera orsaker till varför en helikopter inte kan flyga så snabbt som ett flygplan.

När helikoptern är i vila så har rotorbladens spetsar en hastighet som bestäms av rotorbladets längd och varvtalet. I en helikopter som rör sig beror bladens hastighet på helikopterns hastighet så väl som deras rotationsfart. Hastigheten på den framåtgående rotorn är mycket högre än helikoptern själv. Det är möjligt för rotorbladet att överskrida ljudets hastighet och därmed orsaka ökat luftmotstånd och vibrationer. Det är teoretiskt möjligt att ha spiralformade rotorer också, vilkas funktionsprincip påminner om de vingar som utnyttjar variabel vinggeometri, vilket skulle kunna överskrida ljudets hastighet, men inga idag kända material är tillräckligt lätta, starka och flexibla för att kunna konstruera dessa.

De flesta rotorer är inte styva. Eftersom det framåtgående bladet har en högre hastighet än det bakåtgående, så skulle ett fullständigt fast blad generera mera lyftkraft på den sidan och välta flygfarkosten. På grund av detta är rotorbladen designade för att "flaxa" - att lyfta och vrida sig på sådana sätt att det framåtgående bladet lyfter och genererar mindre lyftkraft. På motsatta sidan av rotordisken så sänks bladet, skapar en högre anfallsvinkel och genererar mera lyftkraft. Vid höga hastigheter kan rotorn flaxa för vilt och orsaka stall. Det finns även helikoptrar där hubben är fast. Bladen görs från kompositmaterial som kan böjas utan att brytas. Fullt stelrotoriga helikoptrar finns och dessa är mycket manöverdugliga helikoptrar. I de flesta sådana utföranden varieras lyftkraften cykliskt och i förhållande till helikopterns hastighet. Justeringen sker antingen genom att man justerar bladens anfallsvinkel eller genom maskinstyrda vakuumanordningar som suger luft in i bladen och justerar deras lyftkraft.

belvedere.arp.750pix.jpg dubbelrotoriga helikoptern hade en stor lastdörr och en extern hiss och användes som trupp/fallskärmstrupptransport, vid evakuering av offer och för att lyfta stora laster. Belvederehelikoptern tillverkades endast i 26 exemplar och togs i tjänst hos RAF 1961.]]

Rotorhuvuddesign är en begränsande faktor på många helikoptrar. Låga eller negativa G-situationer som påträffas i halvfasta rotorsystem kan resultera i flaxning nedåt så att bladet träffar antingen stjärtbommen eller någon annan flygkroppsstruktur vilket följs av motorseparation och en katastrofal krasch.

Helikoptrar är mottagliga för potentiellt ödesdigra vortexring-effekter.

Under slutet av 1900-talet började designers arbeta på helikopterns bullerreducering. Bullriga flygfarkoster ogillas ofta i stadsmiljöer och polis och passagerarhelikoptrar kan vara impopulära. Man började nydesigna helikoptrar efter att ett antal heliporter i städer hade stängts och att den amerikanska staten gick in för att begränsa flygrutter i amerikanska nationalparker och andra platser av naturintresse.

Helikoptrar vibrerar. En icke-justerad helikopter kan lätt vibrera så mycket att den skakar sönder. För att reducera vibrationer måste alla helikoptrar rotorjusteras för höjd och frekvens. De flesta har även vibrationsdämpare för höjd och frekvens. Några använder även mekaniska feedback-system för att känna av och motarbeta vibration. Vanligtvis använder feedback-systemet en vikt som en "stabil referenspunkt" och en länk från vikten styr en justeringsklaff för att justera rotorns anfallsvinkel för att motverka vibrationen. Justering är svårt dels på grund av att mätning av vibrationer är svårt. Det vanligaste justeringsmätningssystemet är att använda en stroboskopisk ficklampa och observera målade märkningar eller färglagda reflektorer på undersidan av rotorbladen. Det traditionella låg-teknologiska sättet är att fästa en färgad krita på rotorspetsarna och se hur de märker ett linnelakan.

Helikoptermodeller och identifikation

ka50.heli.750pix.jpg helikopter med motroterande koaxiala rotorer.]] Vid identifiering av konventionella helikoptrar under flygning kan det vara enklare att veta när man ser dem underifrån under flygning. En fransk-, rysk-, sovjetisk eller ukrainskdesignad helikopterrotor roterar motsols, medan en italiensk-, brittisk- eller USA-byggd rotor roterar medurs (se lista på helikoptermodeller).

Några företag, däribland Schweizer i USA, utvecklar fjärrstyrda varianter av lätta helikoptrar för användning på framtida slagfält.

Hybridtyper som kombinerar egenskaper från helikoptrar och flygplan, inklusive den experimentella Fairey Rotodyne från 1950-talet och Bell Boeings Osprey, som har beställts av den amerikanska marinkåren och är det första massproducerade tiltrotorflygplanet att nå aktiv tjänst.

En helikopter skall inte förväxlas med en autogiro, vilken är helikopterns föregångare som erhåller lyftkraft från en icke-motoriserad rotor.

Se även

Lista över helikoptertillverkare

Externa länkar

Helikopterns historia
Sida med en bild av en kinesisk flygande helikopter
Helikopterns utveckling under det tidiga 1900-talet
Beskrivning av en helikopter
How Stuff Works - Helikopter
Nordic Rotors Presentation av den svenska helikopterbranschen
Bruk i samverkan med fartyg

Helikoptrar | Fordon | Luftfarkoster

Gourt Home::Gourt :: Helikopter