Het verticaal heffen van mensen en ladingen door een helikopter is geen makkelijke opdracht. En als je de technologie van de helikopter van naderbij bekijkt zul je snel tot de conclusie komen dat een helikopter een vernuftig maar vooral complex toestel is.
Het helikopter-rotorsysteem en zijn ondersteunende systemen zijn een complex geheel waarbij meerdere krachten en effecten betrokken zijn die moeten worden beheerd voor een stabiele en veilige vlucht. Een overzicht van 16 redenen die bijdragen tot die complexiteit:
- Coriolis-effect
- Terwijl de rotorbladen door lead-lag-bewegingen constant bewegen, speelt het behoud van impulsmoment een rol. Als een rotorblad naar binnen beweegt, versnelt het, en als het naar buiten beweegt, vertraagt het. Dit kan trillingen en instabiliteit veroorzaken.
- Gyroscopische precessie
- Een roterende massa gedraagt zich als een gyroscoop. Wanneer er een kracht wordt uitgeoefend (bijvoorbeeld een stuurinvoer voor stampen of rollen), treedt het effect 90 graden later op in de draairichting.
- Translationele lift
- Wanneer een helikopter van zweefvlucht naar voorwaartse vlucht gaat, krijgt hij extra lift door de grotere luchtstroom over het rotorsysteem.
- Dissymmetrie van lift
- Het vooruit bewegende rotorblad ervaart meer luchtstroom en produceert meer lift dan het naar achter bewegende rotorblad, wat tot een onbalans leidt.
- 'Stall' van het terugkerende rotorblad
- Bij hoge voorwaartse snelheden heeft het terugkerende rotorblad een verminderde relatieve luchtstroom, en bij bepaalde snelheden kan het 'stallen', waardoor de lift verloren gaat en instabiliteit ontstaat.
- Dit is de reden waarom de maximale voorwaartse snelheid van conventionele helikopters beperkt is.
- Vortex Ring State
- Doet zich voor wanneer een helikopter in zijn eigen downwash afdaalt, waardoor de hef- en controlebevoegdheid volledig verloren gaat, en zonder correctieve handeling van de piloot valt de helikopter te pletter.
- Settling with Power
- Vergelijkbaar met de toestand van de vortexring, maar er is specifiek sprake van een hoge vermogensinstelling tijdens een steile afdaling, waardoor de helikopter daalt ondanks voldoende krachtinbreng. Kan ook hier leiden tot een oncontroleerbare daling / crash.
- Autorotatie
- Bij een motorstoring kan de rotor door de luchtstroom door de rotorschijf blijven draaien, waardoor een een gecontroleerde daling mogelijk is.
- Het klapperen van de rotorbladen
- De rotorbladen klappen op natuurlijke wijze op en neer om de lift over de rotorschijf gelijk te maken als reactie op de asymmetrie van de lift. Vermindert de belasting van het rotorsysteem.
- Grondresonantie
- Komt voor bij helikopters met lead-lag-scharnieren wanneer de helikopter zich op de grond bevindt. Als er een onbalans optreedt (zoals een oneffen grondoppervlak), kan dit ertoe leiden dat de rotorbladen hevig gaan oscilleren.
- In een extreem geval kan de helikopter zo hevig oscilleren dat hij volledig uit elkaar valt.
- Samendrukbaarheidseffecten
- Bij hoge rotortipsnelheden, vooral op het voortbewegende blad, kan de luchtstroom de snelheid van het geluid (MACH 1) benaderen, wat leidt tot schokgolven en sterk verminderde lift.
- Torque effect
- Wanneer de hoofdrotor draait, genereert deze een koppel (actie / reactie) waardoor de romp in de tegenovergestelde richting draait.
- Er moet dus een anti-torsiesysteem zijn om een stabiele giercontrole te behouden (de staartrotor).
- Geïnduceerde drag / luchtweerstand
- De luchtstroom veroorzaakt door de rotor genereert weerstand die toeneemt met het kwadraat van de luchtsnelheid.
- Klappen van de rotorbladen (blade flapping)
- Terwijl de rotorbladen tijdens de voorwaartse vlucht omhoog klappen om de dissymmetrie van de lift tegen te gaan, kantelen ze de rotorschijf naar achteren, waardoor de voorwaartse snelheid afneemt.
- Kan ook voorkomen bij vliegen in turbulente lucht.
- Rol
- Bij overgangen van hover naar voorwaarts vliegen kan een asymmetrische luchtstroom een rol veroorzaken.
- Flexibiliteit en resonantie van het rotorblad
- Rotorbladen kunnen onder belasting buigen en trillen. Als de eigenfrequentie overeenkomt met de rotatiefrequentie, kan dit leiden tot resonantie, waardoor de rotor beschadigd raakt.
De combinatie van al deze krachten en effecten maken dat een helikopter altijd een complex toestel is en zal blijven. Helikopterontwerpers moeten met al deze aspecten rekening houden bij hun ontwerpen om de helikopter zo veilig mogelijk te maken voor de piloot en zijn passagiers.
Maar zelfs bij de best mogelijke helikopter zal de piloot altijd moeten rekening houden met deze samenhang van krachten en effecten om veilig te vliegen. De noodzaak van gelijktijdige besturingsinvoer, energiebeheer en situatiebewustzijn kan resulteren in een hogere cognitieve en fysieke werklast voor piloten.
Foto © David Monniaux (Rotorkop van Sikorsky S-92) GNU Free Documentation License, Version 1.2