A helikopterek keletkezése, szerkezeti sajátosságaik és más érdekességek


Az alábbi írás nem egyetlen konkrét típusról szól, ehelyett hat bekezdésen/A4-es oldalon keresztül mutatja be, hogy mit nevezünk helikopternek, hogyan keletkeztek az első forgószárnyas járművek, ehhez mire volt szükség, milyen helikopterek léteznek és mire képesek (mindezt többé-kevésbé egybefüggően, elfnetes stílusban, tehát ez inkább egyfajta kedvcsináló, semmint egy mindenre kiterjedő, összefoglaló írás).


Tartalomjegyzék:

- Mi a helikopter

- A helikopterek keletkezése és az ehhez szükséges részegységek

- A helikopterek mozgása

- A helikopterek típusai (a különleges szerkezeti megoldásokról röviden)

- Helikopteres rekordok

- Zárásképpen


Mi a helikopter:

A helikopter definíció szerint egy olyan levegőnél nehezebb légi jármű, amelynél a szükséges felhajtóerő a rotor vagy rotorok forgásából származik és képes a függeszkedésre (~ előrehaladás nélküli repülésre).

Maga a helikopter kifejezés a francia hélicoptére szóból származik, melyet a görög ”helix” (csavar) és ”pteron” (szárny) szavak összeolvasztásával hozott létre Gustave Ponton d’Amécourt, 1861-ben (magát a forgószárnyak keltette felhajtóerőt már évezredekkel korábban ismerték).


A helikopterek keletkezése és az ehhez szükséges részegységek:

Egy jól működő helikopterhez öt feltételnek kell teljesülnie (kellően nagy teljesítmény/tömeg arányú hajtómű, a rotorlapátok ciklikus szabályozása, stabilizáló elem megléte, a vibráció minimalizálása és a forgó szárnyvégek hangsebesség alatt tartása) - ezek közül (az első) három megléte nélkül nem lehet működőképes helikoptert építeni.

A helikopter, pontosabban a rotor mechanizmusa sok más találmányhoz hasonlóan évmilliós múltra tekint vissza, mivel megtalálható a természetben - a juharfa ezzel a módszerrel juttatja magját nagy távolságra (a magok a levegőben spirális utat írnak le, ami rávilágít a farokrotor szükségességére is az irányított repülésnél).

A juharfa magjához hasonló, ember alkotta eszköz az ősi kínai játék; a csucsingting, magyarul bambusz szitakötő vagy röviden röppentyű, amely egy függőleges szárrészre erősített kéttollú propellerből áll (a szárat a tenyerek közt megsodorva a játék a levegőbe emelkedik).

A legrégebbi röppentyű-leletek i.e. 400-ból valók, de a következő technológiai lépés, az önerőből levegőbe emelkedő eszközök csak több mint 2000 évvel később jelentek meg. Természetesen a közben eltelt idő alatt is születtek különböző ötletek, például Leonardo da Vinci - röpképtelen - helikopter-terve vagy a szintén polihisztornak nevezhető Mihail Vasziljevics Lomonoszov 1754-es, rugóhajtású modellje, melyet meteorológiai céllal épített.

A szárazföldi és vízi járművekkel szemben a levegőnél nehezebb típusoknál kulcsfontosságú a hajtómű megléte, mert enélkül az eszköz lezuhanna. Repülőgépből létre lehet hozni vitorlázó típust, amely megfelelően nagy felület/tömeg aránya miatt képes a levegőben maradni, de ugyanez a helikoptereknél nem megoldható, mert felhajtóerő csak akkor keletkezik a forgószárnyakon, ha elengendően nagy a fordulatszám.

Ez volt az oka, hogy a XX. századig nem építettek helikoptereket: mivel sem az emberi vagy állati erő, sem pedig a gőzgépek teljesítménye nem volt kellően nagy a korabeli szerkezetek tömegéhez képest (így azok képtelenek voltak a levegőbe emelkedni).

A robbanómotorok megjelenésével már rendelkezésre állt a szükséges hajtómű és 1907. szeptember 29-én levegőbe emelkedett a francia Breguet testvérek Gyroplane I nevű szerkezete, melyet a világ első, emberrel a fedélzetén levegőbe emelkedő helikopternek tartanak (a jobboldali képek közül ez látható a felsőn).

E szerkezet stabilitása még nem volt megoldott, ezért mind a négy oldalán egy-egy ember kötelekkel biztosította a járművet, de még az év november 13-án 30 centiméteres magasságba emelkedett Paul Cornu típusa is, amely már valóban független lebegésre volt képes (ld. jobbra középen).

Ezek a korai próbálkozások hatalmas lendültet adtak a helikopter-kutatásnak, mert bizonyították az elmélet helyességét (a forgószárny alkalmas az emberes repülésre), viszont a gyakorlati alkalmazáshoz két további kérdésre kellett választ találni.

Egyik, hogy a látszat ellenére a helikopterek rotorjai mozgás közben nem síkban mozognak: haladásnál az adott oldalt (előrehaladásnál az első lapátokat) megdöntik, ezzel módosítva a légáramlást, végső soron hajtva a helikoptert.

Amikor viszont a korábban egyik oldali lapátok átérnek a másik oldalra, ott eltérő szögben kell álljanak, majd amint előre érnek, ismét vissza kell állniuk - ezt a rendszert ciklikus állásszög-szabályozásnak nevezik. Egy ilyen, működőképes rendszer kifejlesztése évtizedekbe telt (a lapátok számának növelésével a rendszer bonyolultsága nagymértékben nő).

A másik problémát az jelentette, hogy több forgószárny használata bonyolult és alacsony hatékonyságú eszközt eredményezett, egy hajtóműnél viszont a helikopter a saját tengelye körül forgott, ezért meg kellett oldani a stabilizálást (ld. „A helikopterek típusai” bekezdésben).

A felmerülő műszaki kérdésekre csak az 1930-as években tudtak megfelelő választ adni, de már az első világháborút követően megjelentek a részeredményeket felhasználó autogirók (ld. „Zárásképpen” bekezdés).

A modern helikopterek közvetlen ősének az 1936-os Focke-Achgelis Fa 61-est tekintik: látszólag ez a típus is egy autogiro volt, valójában azonban már helikopter, mert a propeller feladata kimerült a motor hűtésébe (egy ilyen példány látható a jobboldali képek közül az alsón).

A fent említett mérnökök mellett számos további személy foglalkozott forgószárnyas légi járművek megalkotásával, köztük a magyar Kármán Tódor, Petróczy István ezredes és Zurovecz Vilmos. Ők 1917-ben alkották meg a PKZ-1-es kötött megfigyelő helikoptert (az Osztrák-Magyar monarchia hadserege számára), majd ennek továbbfejlesztett változatát, a PKZ-2-t (utóbbi már képes volt 50 méteres magasságba emelkedni és akár fél órán át lebegni, amely korában világszínvonalat képviselt).

A másik ismert magyar kutató Asbóth Oszkár volt, aki 1928-tól kísérletezett saját, koaxiális légcsavarral felszerelt helikopterével - a próbák bíztatóak voltak, a prototípus egy alkalommal 53 percen át a levegőben maradt, de a szükséges stabilitást közel kétszáz repülés után sem sikerült létrehoznia.


A helikopterek mozgása:

A helikopterek irányítását négy vezérlőművel végzik, melyek a következők: a függőleges fordulást szabályozó pedálok (a baloldali Eurocopter EC135-ösön kék színnel jelölve), a hajtómű teljesítményét állító sebességvezérlő (zöld), a rotorlapátok állásszögének változtatására használt ciklikus vezérlő (piros), valamint a hasonló feladatú, de az összes lapát szögét egyszerre módosító kollektív kar (sárga).

Ezekkel a műszerekkel a helikopterek - függetlenül a típusuktól és méretüktől - ötféle alap-mozgástípusra képesek, melyet három részegységük befolyásol: a hajtómű teljesítménye (áttételesen a rotor forgási sebessége), a rotor dőlésszöge és iránya, valamint a kiegyensúlyozó szekció (jellemzően a farokrotor) teljesítménye és iránya.

Érdemes megjegyezni, hogy a repülőgéppel szemben a helikopter minden mozgás-formájának két fázisa van: a rotornak, illetve magának a helikopternek a megdöntése (pl.: nagyobb sebesség eléréséhez növelni kell a hajtómű teljesítményét és előredönteni a rotort, de ez a szög és ezáltal a sebesség tovább növelhető, ha a helikopter teste is előrefelé dől, igaz, ez utóbbi mértéke korlátozott és veszélyeket is hordoz magában).

Az öt mozgástípus a következő: felszállás/emelkedés (függőleges mozgás), lebegés, előre/hátrafelé haladás (vízszintes mozgás), fordulás, illetve tengely körüli fordulás.

Felszálláskor és emelkedéskor a hajtómű nagy teljesítménnyel működik, a farokrotor normál teljesítménnyel, a rotor állása függőleges - ezzel szinte megegyezik a lebegés, ám ilyenkor a hajtómű teljesítménye kisebb és állandó.

Vízszintes mozgás esetén a hajtómű nagy teljesítménnyel üzemel, a rotor előre dől (hátrafelé haladásnál hátra), a farokrotor teljesítménye átlagos. Ettől a fordulás csak annyiban különbözik, hogy a farokrotor teljesítményét változtatják: a helikopter képes egy autóhoz hasonlóan ívesen kanyarodni, illetve gyakorlatilag a levegőben oldalra ”csúszni”.

Ezek mellett a helikopterek képesek megfordulni a saját tengelyük körül is: ekkor a hajtómű teljesítménye állandó, akárcsak a rotorok dőlésszöge, a farokrotor viszont változik (ez a forgás irányától és a farokrotor kialakításától függ). Természetesen a fenti mozgástípusok gyakran együtt jelentkeznek, például a helikopter egyszerre emelkedik és halad előre.

Helikopterekkel speciális mozgásformák is végezhetőek, ám a látványos manőverek száma jóval a repülőgéppel végrehajthatók alatt marad. Ennek oka, hogy a helikopterek alacsonyabb teljesítményük ellenére általában jóval bonyolultabbak a repülőgépeknél és a végzetes hibák száma is nagyobb, ezért a mozgás is jóval veszélyesebb (már az egyhelyben való lebegés is komoly feladatot jelent).

Mindezek ellenére helikopterrel is be lehet mutatni akrobatikus légi mutatványokat (pl.: fejjel lefelé zuhanni vagy menet közben hajtóművet kikapcsolni és autorotációval földet érni), de 2014-ben a világon mindössze három személy rendelkezett helikopter-akrobata engedéllyel, közülük a legismertebb az amerikai Chuck Aaron, aki a Red Bull csapat tagjaként többek között egy MBB Bo 105-ös helikopterrel repült (ő látható jobbra).


A helikopterek típusai (a különleges szerkezeti megoldásokról röviden):

A helikopterek - a többi járműhöz hasonlóan - rendelkeznek néhány közös szerkezeti elemmel (pl.: rotor), de részleteikben különböznek, mivel nem létezik egyetlen tökéletes megoldás (igaz, az alábbi kialakítások egy része sosem terjedt el).

A forgószárnyas járművek rendszerezhetők méretük (ultrakönnyű, könnyű, normál, nehéz) vagy épp futóművük alapján (pl.: csúszótalpas, kerekes, úszótalpas), de a legfontosabb alkatrészük a levegőbe emelkedést és lebegést lehetővé tevő rotorjuk.

A hagyományos rotorok is számos részletben eltérnek egymástól (pl.: lapátok anyaga, reduktorház kialakítása), emellett többféle rotor és farokrotok-kialakítás létezik.

Ilyen a két főrotor használata - ennek a megoldásnak a többlet-felhajtóerő mellett járulékos előnye, hogy nincs szükség farokrotorra, mivel az egymással szembeforgó rotorok forgatónyomatéka kiegyenlíti egymást (hátránya a bonyolultabb műszaki megoldás és a nagyobb méret).

Kisebb méretű helikoptereken erre helyhiány miatt erre nincs lehetőség, ezért hozták létre az angolul intermeshing rotor-nak nevezett megoldást (nincs rá bevett magyar kifejezés). Ennek lényege, hogy két (vagy több), egymás melletti rotort használnak, melyek részben fedik egymást - csak néhány ilyen típus épült (pl.: Kaman HH-43 „Huskie”, Kaman K-MAX) és sosem terjedt el széles körben, mivel az egyrotoros kialakításnál bonyolultabb és veszélyesebb: ha a rotorok nem azonos sebességgel forognak, akkor a lapátok ledarálják egymást.

Ennél hatékonyabbak a koaxiális hajtóművek, melyeknél több (jellemzően kettő) rotor található egymás fölött (amíg az egymásbaforgó rotorok az amerikai Kaman specialitása, addig a közös tengelyű rotorokat több vállalat, köztük a szovjet, majd orosz Kamov tervezőiroda használja - utóbbi összes típusát ezzel a megoldással készítette).

Az egytengelyű rotorok között is találhatóak speciális típusok. Ilyen a monokopter, azaz olyan helikopter (pl.: a Bölkow Bo 103), amely csak egyetlen teljes méretű rotor-lapáttal rendelkezik (e kialakítás hátránya, hogy csak ultrakönnyű helikopteren megvalósítható és az aszimmetrikus elrendezés instabilitást okoz, komolyabb előny nélkül).

Még ennél is különösebb megoldás a tip jet, azaz a szárnyvégi sugárhajtóművel rendelkező helikopter. Ennek lényege, hogy a hajtómű nem a főtengelyt forgatja, hanem a szabadon forgó lapátok végein egy-egy sűrített levegős, rakétahajtómű vagy kisméretű konvencionális sugárhajtómű található: ennek működése közben (a rakétaelv alapján) a lapátok az ellenkező irányba forognak.

Bár több mint egy tucat különféle típusú, ezen az elven működő helikoptert építettek (pl.: Hiller YH-32 „Hornet”, NHI H-3 „Kolibrie”), ez a gyakorlatban túlságosan hangos, veszélyes és bonyolult megoldásnak bizonyult (érdekes, hogy a megoldás alapját adó aeolipil, azaz Hérón-labda már az ókorban is ismert volt).

A felső fotón a felső sorban egy egyrotoros Bell Model 47-es, egy tandem-rotoros Boeing-Vertol CH-46-os, egy koaxiális rotorral szerel Kamov Ka-25-ös, két egymásbaforgó rotorral szerelt Kaman K-MAX, egy aszimmetrikus rotorú Bölkow Bo 102-es és egy szárnyvégi hajtóművekkel szerel Hiller YH-32-es látható.

A főrotor mellett a helikopterek farok-kialakítása is hasonló változatosságot mutat. Egy hagyományos (egyetlen rotoros) helikopternél a forgás irányával ellentétes erők lépnek fel, amelyet ki kell egyensúlyozni, ellenkező esetben a gép a tengelye körül forog. Ezt általában egy második, függőlegesen beépített farokrotorral ellensúlyozzák, ám ez komoly energiaigénnyel rendelkezik, miközben a hajtásban nem vesz részt, viszont működése komoly hanghatással is jár.

Ennek csökkentésére találták ki a farokrotort körbeölelő zárt rotor-szekciót. Ez a kialakítás halkabb üzemelést tesz lehetővé, ami mind a katonai, mind a polgári légiforgalomban fontos (a helikopterek működése alapesetben is jelentős zajterheléssel jár). A zaj mellett ennél a kialakításnál kedvezőbb a légellenállási együttható és a farokrotor kevésbé van kitéve a földetéréskori sérülésnek. Egyszerűbb, de szintén zajcsökkentő szerepe van az ”X” alakú (a légcsavarkört nem egyenlő részekre osztó) farokrotor-lapátoknak.

A legalább két, egymással szembeforgó rotorral felszerelt helikoptereknek nincs szükségük klasszikus farokrotorra, de gyakran használnak a repülőkéhez hasonló függőleges vezérsíkokat (a legtöbb Kamov helikopteren kettes vagy hármas függőleges vezérsík található).

Ez a megoldás egyszerű és nem igényel energiaforrást, viszont tömege jelentős és szintén nem segíti a haladást, ráadásul kevésbé hatékony (a helikopter relatív kis sebessége miatt), ezért megalkották a (fenti módszerek közül általában többet is használó) döntött légcsavart. Ebben az esetben hagyományos farokrotort alkalmaznak, melyet enyhén kifordítva építenek be, ezáltal a forgási energia egy része felhajtóerőt termel.

Szintén a hajtómű erejét használja, de más elven működik a NOTAR rendszer, amely az angol „farokrotor nélküli” kifejezés rövidítése. Egyes gázturbinás sugárhajtóművel felszerelt helikoptereknél a stabilitást azzal érik el, hogy a hajtóműből kiáramló gázsugár egy részét a farok végén, oldalirányban kieresztik (pl.: az MD Helicopters MD 500-as sorozatának MD 520N típusán) - ezek a helikopterek könnyen felismerhetőek vastag farokrészükről.

A fenti módszerekkel szemben farokrészre egyáltalán nincs szükség, ha legalább négy rotort használnak, de ezek nagy mérete és bonyolultsága miatt hagyományos gépeken nem, csak távirányítású drónokon alkalmazzák - ezek összefoglaló neve quadcopter.

Jóval nagyobb sebesség érhető el, ha a forgószárnyakat vízszintes repüléskor vízszintes helyzetbe döntik és hagyományos rotorként használják, de ezek az angolul tiltrotor-nak nevezet típusok inkább repülőgépnek, mint helikopternek számítanak (ld.: Bell Boeing V-22 „Osprey”).

A jobboldali fotón egy francia SNCASE SE-3110-es prototípus látható, amely helikopterek között egyedülálló módon (villás farokrésze végén) két farokrotorral rendelkezett.


Helikopteres rekordok:

A különleges kialakítású forgószárnyasokkal szemben a többi helikopternél nagyobb teljesítményű típusok általában nem különböznek a többi modelltől. A ritka kivételek egyike a világ legnagyobb méretű (37 méter hosszú) és egyben legnagyobb teher emelésére képes helikoptere, a Mil V-12-es, amelynél két, egymás melletti rotort alkalmaztak (a típus képes volt akár 40 tonnát vagy 196 utast a fedélzetére venni).

A V-12-vel ellentétben a világ legnagyobb sebességre képes helikoptere, az angol Westland Lynx egy jól áramvonalazott, de külsőre nem feltűnő típus és az általa elért 400,87 km/h-s végsebesség-rekord egyben a helikopterek teljesítőképességének határa is.

Ennek oka, hogy a forgószárnyas járművek sebessége (hasonlóan a légcsavaros repülőgépekhez), nem kizárólag a hajtómű által szolgáltatott tolóerőtől függ - a helikopter mozgási sebessége úgy növelhető, ha a rotor vagy rotorok nagyobb sebességgel forognak, ám ennek van fizikai határa.

Ha ugyanis a rotorlapátok leggyorsabban forgó, külső vége eléri a hangsebességet, ez a lapát feletti részen egy lökéshullámot indukál, melynek eredményeként megszűnik a felhajtóerő (szuperszonikus átesés következik be). További probléma, hogy nagy sebességnél erős vibráció lép fel, ami rendkívül veszélyes, mivel széttörheti a lapátokat vagy megrongálhatja a hajtáslánc más elemeit.

Szintén a rotorok miatt korlátozott a helikopterek repülési magassága. A helikopter gyakorlatilag az alatta található légrétegen függeszkedik, ám nagy magasságban - a ritkább légréteg miatt - ez a hatás gyengébb (részben ez az oka, hogy a magashegyi repülés különösen nagy elővigyázatosságot igényel és ilyen körülmények között minden helikopter teljesítménye jelentősen romlik). A maximális repülési magasság rekordját egy Aérospatiale SA 315B „Lama” helikopter állította be, 12442 méterrel.

Természetesen ezen kívül még számos más rekord is létezik, de helytakarékosságból itt csak egyetlen továbbit közlünk: 2013-ban végül megtört a jég, amikor az AeroVelo Atlas-sal sikerült hosszabb ideig (64 másodpercig) levegőben maradnia egy emberi hajtású helikopternek (zárt térben).

Ez elsősorban az eszköz ultrakönnyű felépítésének köszönhető (üresen csupán 55 kg-ot nyomott) és annak, hogy minimális tömegével szemben négy rotorjának fesztávolsága különösen nagy, egyenként is több mint 20 méter volt.

Végezetül meg kell említeni, hogy a fent említett 400 km/h-s sebességhatár némileg kitolható, ha a közel vízszintes rotor mellett valamilyen függőleges meghajtást is használnak (ezt általában egy vagy több kiegészítő sugárhajtóművel oldják meg).

Ebbe a kategóriába tartoznak a hibrid meghajtású helikopterek (angol nevük: gyrodyne), például a Sikorsky X2 és a Sikorsky S-97. A hibrid vagy kompozit helikopterek világrekordját 1969. április 16-a óta a Bell 533-as tartja. E jármű helikopterként maximum 278 km/h-val haladhatott, de sugárhajtóművére támaszkodva 509 km/h-s világcsúcsot értek el vele (ezt a sebességet a sugárhajtóművek tolóereje, nem pedig a rotor gyors forgása tette lehetővé).


Zárásképpen:

A hibrid típusokhoz hasonló, de már a modern helikopterek előtt létrejött jármű-kategória az autogiroké, azaz a forgószárnyas repülőgépeké. Ezek olyan típusok, melyek hagyományos repülőgépként rendelkeznek hajtóművel és vezérsíkokkal (és nem képesek a függeszkedésre), viszont nem rendelkeznek merev szárnyakkal: ehelyett forgószárnyat építettek be.

E sajátosságok oka, hogy az autogiro hajtóműve független a rotoroktól: utóbbit a haladáskor keletkező légáramlat forgatja (autorotáció). Az autogirok előnye a helikopterekénél jóval egyszerűbb felépítés, de mivel képtelenek a függőleges felszállásra és sebességük nem a repülőgépek, hanem a helikopterek tartományába esik, csak kisméretű autogirok épültek.

Ezen írás végén is meg kell említsük, hogy az Elfnet.hu egyik fő célja a figyelem felkeltése, a kedvcsinálás. Ha megtetszett egy típus, kevéssé ismert műszaki megoldás vagy maguk a helikopterek világa, bátran olvasson, nézzen utánuk.

Bár a kizárólag helikopterekkel foglalkozó, magyar nyelvű honlap szinte nem létező fogalom (a kisszámú kivétel egyike a szolnoki helikopterbázis oldala), a legtöbb repüléssel foglalkozó oldalon találhatóak forgószárnyasok is (pl.: Magyarország egyik legszínvonalasabb haditechnikai oldalán, a Haditechnikai Kerekasztalon). Ha pedig ”minden kötél szakad”, az alábbi gombra kattintva visszajuthat a Helikopterek almenübe, ahol az Elfnet.hu-n található helikopteres írásokat összegeztük.


Vissza
Ötlet.Minőség.Elfnet.hu | 2011-2017 | Minden jog fenntartva.