آشنایی با هلیکوپتر ها

در این مقاله اجزای تشکیل دهنده یک هلیکوپتر و استراکچر و همچنین نیروی های وارد بر اون رو مورد برسی قرار میدیم.
اجزای اصلی یک هلیکوپتر رو میتونیم به سه بخش تقسیم کنیم: ملخ ها، موتور و همچنین سیستم های کنترلی
خب حالا به جزئیات اجزای تشکیل دهنده هلیکوپتر می پردازیم
هلیکوپتر ها در گذشته از موتور های پیستونی استفاده میکردن اما به دلیل مصرف سوخت بالا و همچنین بازده پایین استفاده از این موتور به تدریج کمتر شده است.
در حال حاضر در هلیکوپتر ها از موتور های توربوشفت استفاده میشه. این موتور ها هوا رو به داخل کشیده و متراکم میکنه و در هوای پرفشار و داغ میسوزه و از چندین توربین عبور و باعث چرخش اونها میشه.

در اینجا دو دسته از توربین هارو داریم یک دسته کمپرسور رو به حرکت درمیارن و دسته دیگه شفت پره هلیکوپتر رو می چرخونند.
خب حالا که با موتور یک هلیکوپتر آشنا شدیم به ساز و کار و انتقال نیروی آن به پره ها میپردازیم.
همانطور که میدونید هلیکوپتر دارای دو ملخ است یکی Main rotor و دیگری Tail rotor که وظیفه اصلی بالابری و تولید نیروی لیفت رو بعهده دارن
حال بیایم با نگاه نزدیک تر به قطعات اصلی درک بهتری از عملکرد یک هلیکوپتر داشته باشیم.
اجزای اصلی main rotor دو سواش و یک شفت و درایور هست.

صفحه سواشی که در پایین قرار داره نمیچرخه اما همواره میتونه به بالا و پایین حرکت کنه صفحه سواش بالایی توسط یک بلبرینگ به سواش زیرین متصل است. پس سواش بالایی هم میتونه بچرخه و هم به به بالا و پایین حرکت کنه.
سواش بالایی با یک درایور به شفت هلیکوپتر متصله. بنابراین شفت بالایی همواره با پره ها در حال چرخشه. پره ها توسط اهرم های کنترلی به سواش بالایی متصلند. وما برای تولید نیروی لیفت میتونیم با جابه جایی سواش به نیروی مورد نظر خودمون برسیم که در ادامه بیشتر توضیح خواهیم داد.
خب شاید بپرسید با وجود main rotor چه نیازی به پره دیگر داریم؟
در حقیقت اگر ملخ های دم وجود نداشته باشه هلیکوپتر مطابق شکل به دور خودش می چرخه، این نتیجه قانون سوم نیوتون هست. برای درک بهتر این موضوع نگاهی به نیروی عمل و عکس العمل وارد بر موتور میپردازیم.
با چرخش توربین ها، موتور مطابق شکل نیرویی به چرخدنده هایی که به پره ها متصل است وارد میکند و باعث چرخش آنها میشود و همچنین با توجه به قانون سوم نیوتون نیرویی خلاف جهت از پره ها به هلیکوپتر وارد میشود که این سبب میشود کل مجموعه هلیکوپتر حول مرکز خودش بچرخه. وظیفه اصلی ملخ دم یا همان tail rotor ممانعت از این چرخش هست که با تنظیم اون توسط خلبان، میتوان بر این نیرو غلبه کرد.
هم اکنون که با موتور و همچنین پره های یک هلیکوپتر آشنا شدیم به چگونگی کنترل آنها توسط خلبان میپردازیم.
خلبان برای تنظیم هلیکوپتر از چهار سطوح کنترل استفاده میکنه.

دسته کنترل یا (Cyclic stick)که وظیفه کنترل حرکت هلیکوپتر در جهت جلو، عقب، چپ و راست را بر عهده داره.

دسته‌گاز یا (Throttle) که سرعت چرخش ملخ‌های هلیکوپتر را تعیین می‌کنه.

کالکتیو (Collective) که در سمت چپ خلبان قرار داره وظیفه تغییر زاویه حرکت ملخ اصلی هلیکوپتر را بر عهده داره و باعث حفظ ارتفاع آن می‌شه. ملخ‌های هلیکوپتر،همان طور که گفته شد به سواش بالایی متصل هستند که با تغییر کالکتیو، این سواش تغییر زاویه می‌دهد و در نتیجه، زاویه و گام پره نیز تغییر می‌کند.

پدال‌ها  (Pedals) نیز برای کنترل جهت حرکت دماغه هلیکوپتر تعبیه‌شده‌اند. این پدال‌ها باعث تغییر زاویه حرکت پره‌های tail rotor می‌شوند که درنتیجه تراست افقی دم، کاهش یا افزایش می‌یابد و دماغه هلیکوپتر در جهت عقربه‌های ساعت یا برعکس تغییر مسیر می‌دهد.

خب حالا که با اجزای اصلی هلیکوپتر آشنا شدیم به چگونگی کار کرد آن میپردازیم.
در هلیکوپتر همان طور که میدونید چهار نیرو بر این هواگرد اثر گذاره: لیفت، وزن، تراست و درگ
برای تولید نیروی لیفت ما میتوانیم کالکتیو رو به بالا بکشیم که این باعث افزایش زاویه حمله بلید و همچنین پایین اوردن کالکتیو باعث کاهش قدرت نیروی بالابری میشه.
همچنین برای انجام اینکار علاوه بر بالاوپائین اوردن کالکتیو، میتونیم با تنظیم دسته گاز، سرعت بلید رو افزایش یا کاهش بدیم.
برای بدست اوردن نیروی لیفت ایجاد شده توسط ایرفویل میتونیم از این فرمول بهره ببریم.

همچنین برای حرکت به کناره ها، کافیست سواش پایین رو به جهتی که میخوایم خم کنیم، یعنی با کج کردن این صفحه سواش همیشه قادر خواهیم بود تا یک زاویه برخورد مثبت در انتها و یک زاویه برخورد منفی در ابتدای پره داشته باشیم. که اگر سواش به عقب خم بشه گشتاوری مطابق با شکل به هلیکوپتر وارد میشه. که این گشتاور موجب تغیر جهت هلیکوپتر به طرفین هست. برای درک بهتر به قانون دوم نیوتون میپردازیم. نیرو برابر است با نرخ تغیر مومنتم خطی و همچنین گشتاور برابر است با نرخ تغیر ممنتوم زاویه ای. حال به گشتاور حاصل از چرخش پره ها میپردازیم. گشتاور حاصل از چرخش پره ها در ابتدا برابر L1 و بعد تغیر سواش پلیت به عقب گشتاور از L1 به L2 تغیر میکند. و اگر ممنتوم زاویه اول و دوم رو از هم کم بکنیم متوجه میشیم گشاوری به سمت جلو به هلیکوپتر وارد میشود. که با توجه به اثر ژیروسکوپی موجب حرکت هلیکوپتر به سمت چپ میشود. همچنین برای حرکت به سمت جلو و عقب کافیست سواش پلیت رو به سمت طرفین خم کنیم تا گشتاور مورد نیاز ما به طرفین اعمال شود. که با این کار هلیکوپتر به عقب یا جلو تغیر جهت میدهد. برای تغیر سواش پلیت کافیست تا خلبان دسته کنترل یا همان Cyclic stick را در جهت مورد نیاز خود تغیر دهد.
این اساس کار جهت دهی به یک هلیکوپتر بود که در این مقاله باهاشون آشنا شدیم.