helikopteri.pdf

SVEUILITE U ZAGREBU Fakultet strojarstva i brodogradnje

Studij zrakoplovstva

OSNOVE

KONSTRUKCIJE

HELIKOPTERA

SKRIPTA

Verzija: 1.0

Datum: 09.08.2010.

prof.dr.sc. eljko Boi

Sadraj

1. POVIJESNI PREGLED RAZVOJA HELIKOPTERA ................................................................... - 1 -

1.1. Mali letei modeli ..................................................................................................................... - 3 -

1.2. Motor s unutranjim izgaranjem ............................................................................................... - 5 -

1.3. Pokuaji s napravama koje nose ljude ...................................................................................... - 6 -

1.4. Autoiro .................................................................................................................................. - 12 -

1.5. Prva polijetanja ....................................................................................................................... - 12 -

1.6. Potpuno upravljivi letovi ........................................................................................................ - 14 -

1.7. Razvoj tehnologija .................................................................................................................. - 16 -

1.8. Pojava turbovratilnih motora .................................................................................................. - 19 -

2. PRINCIP LETA HELIKOPTERA ................................................................................................ - 22 -

2.1. Sile koje djeluju na helikopter ................................................................................................ - 22 -

2.2. Moment .................................................................................................................................. - 25 -

2.3. Giroskopska precesija ............................................................................................................. - 25 -

2.4. Nesimetrinost uzgona ........................................................................................................... - 27 -

2.5. Mahanje lopatica .................................................................................................................... - 29 -

2.6. Koniranje lopatica rotora ........................................................................................................ - 29 -

2.6. Coriolisov efekt ...................................................................................................................... - 30 -

2.7. Efekt zemlje (efekt zranog jastuka) ...................................................................................... - 32 -

2.8. Premjetanje uzgona ............................................................................................................... - 33 -

2.9. Transverzalni efekt strujanja .................................................................................................. - 33 -

2.10. Autorotacija .......................................................................................................................... - 33 -

3. OSNOVNI ELEMENTI KONSTRUKCIJE HELIKOPTERA ..................................................... - 35 -

3.1. Konstrukcijske izvedbe helikoptera ....................................................................................... - 35 -

3.2. Konstrukcija helikoptera ........................................................................................................ - 39 -

3.3. Glava glavnog rotora .............................................................................................................. - 43 -

3.3.1. Funkcija glave ................................................................................................................. - 45 -

3.3.2. Konstrukcijske izvedbe glava rotora ............................................................................... - 49 -

3.4. Lopatice rotora ....................................................................................................................... - 52 -

3.4.1. Postavni kut lopatice rotora ............................................................................................. - 52 -

3.4.2. Napadni kut glavnog rotora ............................................................................................. - 53 -

3.4.3. Profil lopatice rotora ........................................................................................................ - 54 -

3.4.4. Oblik lopatice glavnog rotora .......................................................................................... - 54 -

3.4.5. Teina lopatice glavnog rotora ........................................................................................ - 54 -

3.4.6. vrstoa konstrukcije lopatice ........................................................................................ - 54 -

3.4.7. Konstrukcija lopatice ....................................................................................................... - 54 -

3.4.8. Broj lopatica glavnog rotora ............................................................................................ - 55 -

3.5. Trup helikoptera ..................................................................................................................... - 55 -

3.5.1. Materijali za izradu konstrukcije trupa ............................................................................ - 57 -

3.5.2. Vrste konstrukcija trupa helikoptera ............................................................................... - 58 -

3.5.3. Ljuskaste izvedbe trupa helikoptera ................................................................................ - 59 -

3.5.4. Reetkaste izvedbe konstrukcije trupa helikoptera .......................................................... - 61 -

3.5.5. Okvirna izvedba konstrukcije trupa helikoptera .............................................................. - 62 -

3.5.6. Okvirno-ljuskasta izvedba konstrukcije trupa helikoptera .............................................. - 63 -

3.6. Repne povrine ....................................................................................................................... - 63 -

3.7. Podvozje helikoptera .............................................................................................................. - 64 -

3.7.1. Podvozje u obliku saonica ............................................................................................... - 65 -

3.7.2. Podvozje u obliku tricikla ................................................................................................ - 65 -

3.7.3. Podvozje sa etiri kotaa ................................................................................................. - 66 -

3.7.4. Podvozje s plovcima ........................................................................................................ - 66 -

4. OSNOVE PRORAUNA VRSTOE KONSTRUKCIJE HELIKOPTERA ............................ - 68 -

4.1. Optereenja helikoptera u letu ................................................................................................ - 69 -

4.2. Optereenja helikoptera na zemlji .......................................................................................... - 69 -

4.3. Optereenja helikoptera na vodi ............................................................................................. - 70 -

4.4. Optereenje rotora helikoptera ............................................................................................... - 71 -

4.5. Vibracije helikoptera i rezonancija na zemlji ......................................................................... - 71 -

4.6. Vijek trajanja lopatica rotora helikoptera ............................................................................... - 72 -

5. POGONSKE GRUPE HELIKOPTERA ....................................................................................... - 75 -

5.1. Karakteristike pogonskih grupa .............................................................................................. - 75 -

5.1.1. Turbovratilni motori ........................................................................................................ - 75 -

5.1.2. Klipni motori ................................................................................................................... - 81 -

5.2. Transmisija ............................................................................................................................. - 82 -

6. ODRAVANJE HELIKOPTERA ................................................................................................ - 84 -

6.1. Odravanje zrakoplova ........................................................................................................... - 84 -

6.1.1. Openito .......................................................................................................................... - 84 -

6.1.2. Podjela odravanja zrakoplova ........................................................................................ - 85 -

6.2. Pregledi helikoptera i vrste servisa ......................................................................................... - 87 -

6.2.1. Servisni pregledi .............................................................................................................. - 89 -

6.2.2. Periodini pregledi (Scheduled Inspections) ................................................................... - 89 -

6.2.3. Progresivni sustav pregleda ............................................................................................. - 90 -

6.2.4.Prelazak s jednoga na drugi sustav odravanja ................................................................ - 91 -

6.2.5. Specijalni pregledi helikoptera ........................................................................................ - 91 -

6.2.6. Pregledi helikoptera nakon izvanrednih dogaaja ........................................................... - 91 -

6.2.7. Provjera helikoptera na zemlji ......................................................................................... - 92 -

6.2.8. Provjera helikoptera u letu ............................................................................................... - 92 -

7. LITERATURA .............................................................................................................................. - 94 -

Fakultet Strojarstva i brodogradnje Osnove konstrukcija helikoptera Studij zrakoplovstva prof.dr.sc. eljko Boi

- 1 -

1. POVIJESNI PREGLED RAZVOJA HELIKOPTERA

Iako zrakoplovi s fiksnim krilima dobijaju svu pozornost od strane veine povjesniara, let

helikoptera je bio prvi let kojeg je zamislio ovjek. U stvari, drevni Kinezi su se igrali s runo

pokretanim igrakama koje bi poletjele prema u vis kada bi se brzo zavrtile rukama. Ovakve igrake

pojavile su se 400 godina p.n.e. u Kini i bile su predmet eksperimentiranja Sir Georgea Cayleya, oca

moderne aeronautike. Najraniji poznati primjeri takvih igraaka sastojali su se od perja nataknutih na

kraj tapa, koji bi se naglo zarotirao izmeu ruku i zatim pustio da poleti. Iako je bila rije samo o

igraki, to je ipak bila prva zabiljeena ideja helikopterskog naina leta pa se i zato smatra

praprahelikopterom. U Europi, najranije pojave takvih igraaka javljaju se na renesansnim slikama i

crteima Leonarda da Vincija.

Slika 1.1. Kineski helikopter od bambusa

Sljedei zabiljeeni sluaj "konstrukcije" helikoptera je djelo Leonarda da Vincija. On je 1483. godine

napravio skicu helikoptera koji je imao rotor nalik na vijak napravljen od utirkanog platna. U

literaturi je taj izum poznat i pod imenom "helikoidni zrani vijak". Leonardo je rotor za svoj teorijski

helikopter razvio na principu Arhimedovog vijka kojim se podizala voda za navodnjavanje.

Leonardova naprava je projektirana tako da ju pokree etvero ljudi, stojei na centralnoj platformi,

polugama pokreui vijak koji bi stlaivao zrak i tako uzdigao napravu u vis, slino dananjim

helikopterima. Iako je Leonardova naprava bio dobar i za ono vrijeme napredan izum, on nije dalje

evoluirao jer tehnologija toga vremena nije bila adekvatna za proizvodnju jedne takve letjelice.

Slika 1.2. da Vincijev zrani vijak


- 2 -

Igrake

Roenje znanstvenih

zakona

Prve ideje o

vertikalnom letu

ovjeka

Prvi mali letei modeli

Izum motora sa

unutranjim izgaranjem

Pokuaji sa napravama koje

nose ljude

Uspjeni autoiroi

Prva polijetanja i

polu-upravljivi

letovi

Prvi znaajni uspjesi potpuno upravljivi letovi

Razvijanje

tehnologija

Razvijanje

mlaznih motora

400BC

200BC

1400AD

1700

1800

1900

1910

1920

1930

1940

1945

Kineske igrake

Arhimed

Da Vinci-ev zrani vijak

Lomonov (1754) Launoy & Bienvenu (1784)

Paucton (1768) Cayley (1792)

Cayley (1843) d'Amecourt (1863)

Phillips (1842) Edison (1880)

Breguet-Richet (1907-08) Denny Bros (1907)

Cornu (1907) H. & E. Berliner (1909)

Sikorsky coaxial (1910) Ellehammer (1914)

Yuriev (1912) H. & E. Berliner (1919-25)

Oemichen (1920-24) von Baumhauer (1924-30)

de Bothezat quadrotor (1922) Brennan (1920-25)

Ciervin C-4 autoiro (1923) Ciervin C-8 autoiro (1928) Pescara (1920-24) Florine (1929-30)

Hafner R-1/2 (1928-30)

Curtiss-Bleeker (1930) Weir autoiro (1932-35) d'Ascanio coaxial (1930) Breguet-Dorand (1935-36)

Pitcairn PCA-2 autoiro (1930) Focke-Achgelis Fa-61 (1937) TsAGI 1-EA/5-EA (1930-34) Weir W-5 helikopter (1938)

Cierva C-19 autoiro Sikorsky VS-300 (1939) Hafner AR-3 autoiro (1935) Kellet KD-1 autoiro (1939)

Flettnerov sinhrokopter FL-282 (1940) Bell 30 (1943)

Sikorsky R-4 (1942) Hiller XH-44 coaxial (1943)

Piasecki PV-2 (1943) Sikorsky R-5 (1943-46)

Sikorsky R-4B (1944) Hiller 360 (1948)

Bell 47 (1945) Piasecki HUP-1 (1948)

Piasecki tandem XHRP-1 (1946) Kaman K-190 (1949)

Westland S-51 (1946) Sikorsky S-55 (1949)

Kaman K-125 (1947) Sud-Aviation SE3120 (1949)

Bristol 171 (1947) Mi-1 (1949)

Slika 1.3. Povijesni pregled razvoja zrakoplova i autoiroa do 1950-tih


- 3 -

1.1. Mali letei modeli

Vie od 2000 godina od kineske letee igrake, otprilike 1754-te godine, ruski znanstvenik

Mikhail Lomonosov od njih je razvio mali koaksijalni rotor pogonjen napetom oprugom. Napravica je

letjela slobodno i uzdizala se dosta visoko. Godine 1783., francuski prirodoslovac Launoy, uz pomo

Bienvenua, svog mehaniara, na osnovu koaksijalne kineske letee igrake napravili su model s

proturotirajuim parom pureeg perja. Relativno velika naprava pokretana je strunom namotanom oko

osovine rotora i napete samostrelom. Kad bi se struna popustila, rotori bi se zarotirali i naprava bi se

uzdigla visoko u zrak. Launoyev i Bienvenuov izum je poprilino uznemirio tadanje znanstvene

krugove. Potaknut uspjesima ove i slinih naprava, francuski matematiar A. J. P. Paucton godine

1786. je objavio jedan od prvih znanstvenih radova koji su se bavili problemom rotirajuih krila

naslovljen "Theorie de la vis D'Archimede".

Slika 1.4. Launoyev koaksijalni rotor

Ranije spomenuti Sir George Cayley je jo kao mali djeak bio fasciniran kineskom leteom igrakom

i do kraja osamnaestog stoljea konstruirao nekoliko uspjenih modela za vertikalni let s rotorima

napravljenim od limenih ploa i pogonjenih satnim oprugama. Njegova fascinacija letom navela ga je

jo kao mladia da projektira i konstruira vrtlonu ruku 1804. godine, koja je zacijelo jedan od prvih

znanstvenih pokuaja prouavanja aerodinamikih sila na krila. 1809.-10. objavio je trodijelni rad koji

je ustanovio temelje moderne aerodinamike. U kasnijem radu, objavljenom 1843., Cayley daje detalje

o relativno velikoj letjelici za vertikalni let koju je zvao Zrana koija. Taj stroj je imao 2 para bonih

rotora za stvaranje uzgona i propelere koji su ih gurali prema naprijed. ini se da je njegova ideja bila

da se diskovi spljote u horizontalnom letu i tako postanu kruna krila. Meutim, Cayleyeva naprava

je ostala na razini ideje jer jedini pogonski strojevi dostupni u to vrijeme su bili parni strojevi, a oni su

bili preteki za osiguravanje uspjenog letenja.

Slika 1.5. Zrana koija iz 1843. godine


- 4 -

Nepostojanje prihvatljivog pogonskog stroja usporavao je razvoj pogonjenih letjelica teih od zraka,

bilo s fiksnim bilo s rotirajuim krilima., ali upotreba minijaturnih lakih parnih strojeva dala je neke

uspjene rezultate. Godine 1840. Horatio Phillips konstruirao je parom pogonjen stroj za vertikalni let,

kod kojeg je para proizvedena u minijaturnom grijau izbacivana preko vrhova lopatica. Iako

nepraktian za izvedbu u normalnoj veliini, ovaj ureaj znaajan je jer je obiljeio trenutak kad je

helikopter poletio pogonjen snagom motora, a ne energijom sadranom u napetim oprugama.

Poetkom 1860-tih, Francuz Ponton d'Amecourt uzletio je mnoge male parom pogonjene

helikopterske modele.

Slika 1.6. d'Amecourtov parni helikopter

On je smislio naziv helikopter, nazvavi tako svoje modele. Rije "helikopter" potjee od grkih rijei

"elikoeioas", to znai spirala ili navoj i "pteron", to znai pero ili krilo. Drugi modeli za vretikalni let

vrijedni spomena, a koji su konstruirani u ovo vrijeme, ukljuuju Brightov koaksijalni dizajn iz 1861.

godine i Dieuaideov parom pogonjeni twin-rotor iz 1877. Njemac Wilheim von Achenbach napravio

je 1874. godine model s jednim rotorom i vjerojatno je prvi koji je koristio ideju za repni rotor koji se

suprostavlja momentu glavnog rotora. Kasnije je Achenbach proveo eksperimente s propelerima, ije

je rezultate objavila NACA. Rus Lodygin je 1869. razvio koncept koji je koristio rotor za uzgon i

propeler za pokretanje i upravljanje. Oko 1878., Talijan Enrico Forlanini takoer je napravio jo jedan

helikopterski model pogonjen parom. Ovaj model je imao dva proturotirajua rotora i zabiljeeno je da

letio slobodno dvadesetak sekundi na visini preko 12 metara.

Slika 1.7. Forlaninijev helikopter


- 5 -

Godine 1880., poznati znastvenik i izumitelj Thomas Alva Edison eksperimentirao je s malim

modelima helikoptera u SAD-u. Testirao je nekoliko konfiguracija rotora pogonjenih pamukom

natopljenim eksplozivnim kemikalijama, koji je rani oblik motora s unutarnjim izgaranjem. Niz

eksplozija obeshrabrio je daljnje pokuse s ovim motorom. Edison je kasnije koristio elektrini motor i

on je jedan od prvih koji je, kroz svoje eksperimente, uvidio potrebu za rotorom velikog promjera s

tankim lopaticama za to efikasnije lebdenje. Za razliku od drugih izumitelja i eksperimenata toga

vremena, Edisonov znanstveniji pristup problemu vertikalnog leta dokazao je da su potrebni visoka

aerodinamika uinkovitost rotora i velika snaga motora ako se eli postii uspjean let. Edison je

1910. patentirao prilino nezgrapan koncept helikoptera u punoj veliini s lopaticama poput kutijastih

zmajeva, ali nema zapisa da je ovaj koncept ikad napravljen. No, Edison je ostao veliki pobornik

helikoptera do kraja svog ivota.

1.2. Motor s unutranjim izgaranjem

Razvoj motora (agregata) je od temeljne vanosti za bilo koji oblik leta. Dok su avioni mogli

letjeti s motorima relativno male snage, uspjeh helikoptera morao je ekati razvoj tehnologije koja je

omoguivala izradu lakih i snanijih motora. Povijesni zapisi pokazuje da je potreba za motorima

dovoljnog omjera snage i mase zaista klju koji je omoguio uspjeh helikoptera.

Ranim poetnicima, koliina energije potrebne za uspjean vertikalni bila je nepoznata i razumijevanje

problema nastavilo se uglavnom na temelju pokuaja i pogreaka. Rani rotorski sustavi imali su

izuzetno slabe aerodinamike performanse. To se vidi u motorima koji su se koristili u nekim

helikopterima napravljenim u ranim 1900-tim, koji su bili presnani i preteki. Prije 1870., parni stroj

je bio jedini agregat dostupan za koritenje u veini mehanikih ureaja. Parni stroj je motor s

vanjskim izgaranjem koji zahtjeva kotao, loite, pumpu, kondenzator, stap, cilindar i opskrbu goriva i

vode. Sve ove komponente oteavaju dobivanje odgovarajueg omjera snage i mase parnog stroja koji

bi bio prikladan za aeronautiku upotrebu. No, unato tomu, sve do pojave motora s unutranjim

izgaranjem, inovacijama Jamesa Watta, parni stroj se konstantno usavravao i doveo do visoke razine

praktinosti.

Motor s unutarnjim izgaranjem razvio se sredinom devetnaestog stoljea kao rezultat znanstvenih

doprinosa mnogih pojedinaca. Carnot je 1824. uvidio potrebu za kompresijom kako bi se poveala

razlika izmeu visokih i niskih radnih temperatura. Godine 1862., Alphose Beau de Rochas objavio je

prvu teoriju koja je opisivala 4-taktni ciklus. Nikolaus Otto je 1876. godine je na osnovi Rochasove

teorije razvio motor koji je postao osnova modernih benzinom pogonjenih motora s unutarnjim

izgaranjem. Razvoj motora s unutarnjim izgaranjem pojednostavnio je cjelokupni pogonski agregat i

omoguio izradu kompaktnih motora s visokim omjerima snage i mase.

Najraniji benzinski zrakoplovni motori bili su zrakom hlaeni zvjezdasti rotacijski motori. Popularni

francuski Gnome i Le Rhone zvjezdasti motori imali su omjer snage i mase 0.576 kW/kg i zacijelo su

bili najnapredniji laki motori svoga vremena. Ovakakv tip motora koristili su mnogi pioniri

helikoptera tog vremena, a koristio ga je i Igor Sikorsky u svom pokusnom letu 1910. godine.

Zvjezdasti rotacijski motor imao je svoje nedostatke, ali je u usporedbi s drugim, tada dostupnim,

motorima bio pogodniji za upotrebu u zrakoplovima.


- 6 -

1.3. Pokuaji s napravama koje nose ljude

Godine 1907., oko etiri godine nakon to su braa Wright izvela prvi uspjeni let avionom,

francuski proizvoa bicikala, Paul Cornu napravio je stroj za vertikalni let za koji je zabiljeeno da je

prvi podigao ovjeka od tla. Konstrukcija njegove letjelice bila je vrlo jednostavna s dva rotora na

svakom kraju. Rotori su pogonjeni benzinskim motorom preko remenskog prijenosa. Svaki rotor imao

je dvije velike lopatice male vitkosti. Rotori su rotirali u suprotnim smjerovima da bi im se momenti

ponitavali. Zabiljeeno je da je ova letjelica poletjela na par sekundi pri malim visinama, ali ovo

nikad nije u potpunosti potvreno.

1.8. Helikopter Paula Cornua

Godine 1904. francuski znanstvenik Charles Richet napravio je mali, bespilotni helikopter. Iako je

njegov stroj bio neuspjean, jedan od Richetovih uenika bio je budui poznati avijatiarski pionir,

Louis Brguet. Krajem 1906. braa Louis i Jacques Brguet poeli su sami eksperimentirati s

helikopterima pod vodstvom profesora Richeta. 1907. braa Brguet su napravili svoj prvi helikopter.

Njihov Gyroplane No. 1 sastojao se od etiri dugake grede napravljene od elinih cijevi koje su bile

postavljene kao horizontalni kri. Na kraju svake grede bili su postavljeni dvostruki rotori s po etiri

lopatice. Pilot je sjedio u sreditu konstrukcije pokraj motora od 40 konjskih snaga. Zabiljeeno je da

je stroj nakratko poletio. Fotografije pokazuju nekoliko ljudi koji su pomagali stabilizirati, a moda

ak i podii stroj. Oito, stroj nije nikada letio potpuno slobodno jer mu je, kao Cornuovom stroju,

nedostajalo stabilnosti i odgovarajuih naina upravljanja. Unato tome, njihov stroj bio je

sofisticiraniji i vjerovatno blii dostizanju pravog vertikalno leta od stroja koji je napravio Paul Cornu.

1.9. Brguet-Rocheteov iroplan


- 7 -

Poetkom 1900-tih u Carskoj Rusiji, Igor Sikorsky i Boris Yur'ev su neovisno jedan od drugog poeli

projektirati i izraivati letjelice za vertikalni let. Do 1909-te, inspiriran radovima Cornua i ostalih

francuskih avijatiara, Sikorsky je napravio prototip bespilotnog koaksijalnog helikoptera. Njegov prvi

model S-1 nije se mogao uope podii u zrak, a drugi model S-2, ak i s jaim motorom, uspio je (bez

pilota) napraviti samo par kratkih skokova. Obeshrabren, Sikorsky se prestao baviti helikopterima i

posvetio se projektiranju konvencionalnih aviona u emu je bio vrlo uspjean. Iako se nikada nije

odrekao svoje vizije helikoptera, sve dok nije emigrirao u Ameriku nije se poeo ponovno baviti

idejom vertikalnog leta.

1.10. Sikorsky S-2 iz 1910. godine

Oko 1912-te Boris Yur'ev je takoer probao napraviti helikopter. Njegov stroj je imao vrlo moderan

rotor s repnom konfiguracijom. Veliki promjer rotora i velika vitkost lopatica pokazivali su da je ovo

konfiguracija za visoku aerodinamiku uinkovitost. Kao i Sikorskyjevi modeli S-1 i S-2, i Yur'evovoj

letjelici nedostajao je dovoljno snaan motor. Letjelica nikad nije letjela kako treba, ali ovo je bio

jedan od prvih primjera upotrebe repnog rotora. Osim toga, od prvih primjera upotrebe repnog rotora.

Osim toga, Yur'ev je, takoer, bio jedan od prvih koji je predlagao promjenu napadnog kuta lopatice

(cyclic pitch) za kontrolu rotora.

Slika 1.11. Yur'evov helikopter iz 1912. godine


- 8 -

Oko 1914-te danski avijatiar Jen C. Ellehammer projektirao je helikopter s koaksijalnim rotorima.

Njegova konstrukcija imala dva velika aluminijska prstena promjera oko 6 metara s po 6 lopatica

svaki, nataknutih po obodu prstena. Donji prsten bio je prevuen tkaninom i trebao je posluiti kao

padobran u sluaju otkaza motora ili rotora. Ova letjelica je meu prvima imala mogunost promjene

napadnog kuta lopatica. Osim par kratkih skokova u zrak, letjelica nije nikada uspjela poletjeti i

unitena je u padu 1916-te godine.

Slika 1.12. Ellehammerov helikopter iz 1914. godine

Austrijanac Stephan Petroczy, uz pomo poznatog aerodinamiara Theodora von Karmana, napravio

je i letio helikopterom s koaksijalnim rotorom u razdoblju od 1917-20-te. Zanimljive konstrukcijske

znaajke ove letjelice bili su poloaj pilota iznad rotora, podvozje od napuhanih vrea i brzootvarajui

padobran. Pokretana je s tri rotacijska motora. Iako nikad nije slobodno letjela, izvrila je nekoliko

vertikalnih letova ograniena kablovima. Njeni rotori su zapravo bili predimenzionirani propeleri.

Slika 1.13. Petroczy-Karmanov helikopter

Amerikanci Emile i Henry Berliner, takoer, su bili zainteresirani za letjelice za vertikalni let. Oni su

meu prvima primjetili injenicu da je snaga za potrebna za lebdenje znaajno vea od snage potrebne

za horizontalni let pri malim brzinama i ve su 1909-te napravili svoj prvi helikopter. 1919-te Henry

Berliner je napravio helikopter s koaksijalnim rotorima koji je uspio napraviti par nekontroliranih

skokova u zrak i dosegnuo visinu od otprilike jednog metra. Ranih 1920-tih godina Berlineri su letjeli

sa zrakolovom s dva rotora sa svake strane. Kako su mogunosti za pravi vertikalni let njihovih

zrakoplova bile ograniene, Berlineri su napustili ideju pravog helikoptera i posvetili se hibridnom

stroju koji su nazivali "helicoplane". Ovaj stroj je imao rotore za vertikalni let, ali je imao i trostruka


- 9 -

krila i veliki predimenzionirani vertikalni rep. Unato tome, rani pokuaji Berlinera s letjelicama s

koaksijalnim rotorima i rotorima sa strane smatraju se prvim helikopterskim dostignuima u SAD-u.

Slika 1.14. Berlinelijev Helicoplane iz 1920. godine

Ranih 1920-tih George de Bothezat je za vojsku SAD-a razvio eksperimentalni quadrotor helikopter,

za koji su tada rekli da je prvi uspjean helikopter. Iako su letjelici njegovi masivni rotori sa 6 lopatica

omoguili da uspjeno leti, stroj je bio prekompliciran, teko upravljiv i, navodno, mogao je letjeti

samo unaprijed i to pri pogodnom vjetru. Vojska je ukinula program 1924-te godine i letjelica je otila

u dijelove.

Slika 1.15. Letea hobotnica iz 1922. godine


- 10 -

U Britaniji je tijekom kasnih 1910-tih i ranih 1920-tih godina Louis Brennan radio na helikopteru s

neobino velikim rotorom s dvije lopatice. Brennan je imao drugaiji pristup rjeavanju problema s

momentom. Njegov rotor bio je pokretan propelerima smjetenim na samim lopaticama. 1922-te

letjelica je uspjeno poletjela u hangaru za balone. Tijekom 1925-te obavljeni su letovi vani pri malim

visinama. Stroj se sruio na svom sedmom letu i slubeni interes za Brennanov stroj se smanjio zbog

poveanog interesa za autoiro.

Slika 1.16. Brennanov helikopter iz 1922. godine

Tijekom ranih 1920-tih Raoul Pateras-Pescara radio je na razvoju helikoptera u panjolskoj i

Francuskoj. Pescara je u podruju helikoptera najpoznatiji po svojim tehnikim doprinosima

metodama uinkovitog upravljanja. On je meu prvima uveo cikliku i kolektivnu kontrolu napadnog

kuta lopatica u prototip helikoptera. Pescara je uspio postii kontrolu nad propinjanjem, valjanjem i

skretanjem helikoptera samo pomou varijacija u napadnom kutu lopatica. Takoer, Pescara je meu

prvima preopznao fenomen autorotacije i kako bi pilot trebao kontrolirati nepogonjeni helikopter u

sluaju otkaza motora. Iako nikada nije uspio postii praktian uspjeh sa svojim helikopterima,

Pescara je zasigurno jedan od prvih pionira iji se prototip helikoptera pozabavio svim aspektima

uzgona, potiska, upravljanja i stabilnosti, kako u pogonjenom letu tako i u autorotaciji.


- 11 -

Slika 1.17. Pescarin model 4S iz 1926. godine

Izmeu 1924-te i 1930-te, nizozemac A. G. von Baumhauer projektirao je i napravio jedan od prvih

helikoptera s repnim rotorom. Letjelica je imala reetkastu konstrukciju s motorom montiranim na

jednom kraju, dok je na drugom kraju bio manji motor koji je pogonio repni rotor koji se suprostavljao

momentu glavnog rotora. Kako glavni i repni rotor nisu bili povezani, to je oteavaloznaajne

potekoe pri upravljanju. Unato tome, zabiljeeno je da letjelica napravila nekoliko kratkih, koliko

toliko upravljivih letova.

Slika 1.18. von Baumhauerov helikopter iz 1924. godine


- 12 -

1.4. Autoiro

Razvoj konstrukcije lopatice rotora i lopatica rotora sa zglobovima panjolskog inenjera

Juana de la Cierve omoguio je razvoj prvih uspjenih helikoptera. 1936-te. Cierva je razvio autoiro,

letjelicu koja je podsjeala na helikopter, ali je koristila nepogonjeni rotor. Njegov rotor autorotirao je

kako se autoiro kretao kroz zrak pogonjen zasebnim propelerom. Letjelica je trebala kratki zalet za

razvoj dostatne brzine da bi se uzdigla od tla. U sijenju 1923. Cierva je uspjeno letio svojim C.4

autoirom, koji je imao lopatice rotora sa zglobovima, kakve se i dan danas koriste na svim

helikopterima. Do 1925-te, njegov zrakoplov je postao pouzdan i poeo je obavljati demonstracije u

Francuskoj, Engleskoj i SAD-u. Iako se i danas ponekad koriste, autoiro ima jedan veliki problem

koji je doprinjeo njegovoj ogranienoj upotrebi. Fenomen koji se zove rezonancija na zemlji (ground

resonance) razvije se kad lopatice meusobno izau iz faze to uzrokuje neuravnoteenje rotora. Ako

se problem ne ispravi, velika teta moe nastati u samo par sekundi. Ground resonance se moe

dogoditi samo kad je autoiro na tlu i dogodi se kad se udar, recimo prilikom tvrdog slijetanja, prenese

na rotor. Takoer, ako se centar mase pomakne od centra rotacije, cijela letjelica postane nestabilna.

Razna poboljanja autoira su omoguila razvoj pravog helikoptera. Do sredine 1930-tih, helikopter je

inkorporirao rotor i ostale komponente koje su se prvo pojavile kod autoira. Autoiro je eventualno

zamjenjen pravim helikopterima, ali se, moda, pravi kraj auoira dogodio kad je Cierva poginuo u

avionskoj nesrei u prosincu 1936-te godine.

Slika 1.19. Ciervin prvi let C.4 autoirom 1923. godine

1.5. Prva polijetanja

U dvadesetim godinama prolog stoljea motori su postali dovoljno snani da omogue prava

vertikalna polijetanja i slijetanja. Konstruktori su pourili to iskoristiti, Pa su u to vrijeme neki stari

koncepti napokon mogli pokazati svoj potencijal. Budui da se radilo o novoj tehnologiji, stabilnost i

upravljivost bile su na nezavidnoj razini, ali ovi poeci postavili su temelje daljnjeg razvoja

helikoptera.

tienne Oehmichen bio je francuski inenjer i konstruktor helikoptera. Prvi uspjean let svog

helikoptera Oehmichen No.2 obavio je 1922. To je bila prva pouzdana letea naprava koja je mogla

nositi ovjeka. Sastojala se od tape konstrukcije i etiri velika horizontalna rotora. Za dodatnu

stabilnost postavio je vertikalne rotore, na krajeve nosaa. Ova ideja kasnije je dovela do razvoja

repnih rotora.


- 13 -

Slika 1.20. Oemichen No.2 iz 1922. godine

U vrijeme kada se inilo da su autoiroi privremeno rjeenje za vertikalno slijetanje, ameriki inenjer

M. B. Bleeker, bio je opinjen idejom o postavljanju motorom pokretanih propelera na lopatice rotora.

Te propelere pokretao je jedan radijalni motor tvrtke Pratt and Whitney snage 420hp, a letjelicu je

konstruirala Curtiss Wright korporacija. Lopatice rotora bile su upravljive kolektivno za dizanje i

sputanje i pojedinano za odravanje stabilnosti. Promjer rotora bio je 14.42m, ukupna teina bila je

1500kg, a bilo je mjesta za dvije osobe.

Ovaj helikopter postigao je nekoliko skokova u hangaru, ali je projekt naputen zbog manjka

stabilnosti i prevelikih vibracija.


- 14 -

Slika 1.21. Curtiss-Bleecker iz 1930. godineo

Prvi letei helikopter sa tandem rotorima izgradio je belgijanac Nicolas Florine. Dosegao je visinu od

6m, a let je trajao 8 minuta. Iako rotori nisu rotirali u suprotnim smjerovima, moment torzije je

poniten njihovim nagibom. Ovaj helikopter prethodnik je Paseckovoj leteoj banani.

Slika 1.21. Florine iz 1933. godine

1.6. Potpuno upravljivi letovi

Nakon prvih polijetanja u 1920-ima krenula je utrka u razvoju prvih praktinih helikoptera.

Zahtjev je bio omoguiti lebdjenje bez sigurnosnih ica, i pokazati manevarske sposobnosti zbog kojih

bi se isplatila daljnja ulaganja u tehnologiju.

Od velikog znaaja bio je projekt franzuca Louisa Bregueta, koji je konstruirao helikopter sa

koaksijalnim kontrarotirajuim rotorima. Breguet se nakon neuspjeha svog prvog helikoptera 1908

povukao iz svijeta zrakoplovstva, ali se u dvadesetim godinama prolog stoljea vratio svojim

eksperimentima sa helikopterima i osnovao tvrtku Syndicat d'Etudes du Gyroplane. 1933. Njegova je

kompanija predstavila eksperimentalnu letjelicu Gyroplane Laboratoire. Pokretao ga je Hispano-Suiza

motor snage 225kW, promjer rotora bio je 15.89m, teina 1430kg, a bio je predvien samo za pilota.

Godine 1936. Breguetom iroplan postavio je etiri rekorda: visina leta od 158m, trajanje leta od 1 sat,

2 minute i 5 sekundi, dolet od 44km i najveu brzinu od 44.692km/h. Breguetov iroplan danas se

smatra prvim praktinim helikopterom.


- 15 -

Slika 1.22. Breguetov iroplan iz 1933. godine

Unato svom uspjehu, Breguetov iroplan ostao je gotovo nezamijeen zbog njemakog zrakoplovnog

inenjera Heinricha Karla Johanna Fockea. On je u isto vrijeme predstavio svoj model Fw.61, koji se

ubrzo pokazao superiornijim Breguetovu irploanu. Trup je preuzeo sa Fw.44 trenanog aviona,

kojem je horizontalni stabilizator postavio na vrh vertikalnog, a promjer propelera smanjio na promjer

motora, ime ga je prenamijenio za njegovo hlaenje. Dva trokraka rotora postavljena su na elinu

konstrukciju sa svake strane kabine, a lopaticama se mogao mijenjati nagib, ime je omogueno bono

kretanje helikoptera. Motor koji ga je pokretao bio je sedmerocilindrini Bramo Sh.14A snage 119kW,

promjeri rotora bili su 7m, a maksimalna teina pri polijetanju 950kg.

Od 1937. do 1939. Fw.61 postavio je nove rekorde za helikoptere, koji dugo nisu oboreni. Neki od

njih su: maksimalna visina 3,427m, dolet 230.348km, maksimalna brzina 112km/h.

Slika 1.23. Fw.61 iz 1937. godine


- 16 -

Igor Sikorsky svoj prvi helikopter sagradio je 1909. u Rusiji. Naalost, taj model nije mogao poletjeti.

Njegov sljedei model poletio je, ali nije imao dovoljno snage da ponese i pilota. Nakon revolucije

1917. Sikorsky je emigrirao u Ameriku, gdje je nastavio svoj rad na helikopterima. 1939. Napokon je

uspio u izgradnji prvog praktinog helikoptera. Bio je to model VS-300. Pokretao ga je

etverocilindrini Lycomingov motor od 75hp, imao je punu cikliku kontrolu glavnog rotora i jedan

repni rotor.

Do 1940 VS-300 mogao je lebdjeti 15 minuta, a 6.5.1941. porazio je rekord koji je drao Fw.61 letom

od 1 sata, 32 minute i 26.1 sekunde. U sljedeih nekoliko godina, Sikorsky je intenzivno radio na

svom modelu, da bi na kraju dobio helikopter koji je u svakom pogledu nadmaio Breguetom iroplan

i Fw.61.

Slika 1.24. Konana verzija VS-300 iz 1940. godine

1.7. Razvoj tehnologija

Nakon postavljanja temelja za siguran i stabilan let, konstruktori su se posvetili poveanju

uinkovitosti. Najvei utjecaj ovdje je imala vojska, koja je postavljala nove zahtjeve za nove misije.

Traila se vea nosivost, dolet, trajanje leta, poveanje intervala izmeu odravanja i mnogi drugi

zahtjevi.

Anton Flettner esto puta je bio zasijenjen radom svojih suvremenika Fockea i Sikorskog, ali njegov

model Fl-265 bio je daleko napredniji od Fw.61 i izvodio je samostalne letove nekoliko mjeseci prije

VS-300. Ve su postojali planovi za pokretanje serijske proizvodnje modela koji bi se koristio za

traenje podmornica, ali je Flettner odustao od daljnjeg razvoja, i okrenuo se novom konceptu. Radilo

se o prvom serijskom sinhropteru, tj. helikopteru sa dva usporedna rotora postavljena pod kutom, ime

se dodatno dobilo na stabilnosti. Osnovna namjena mu je bila potraga za podmornicama, a zbog

relativno malog promjera rotora mogao je polijetati sa tadanjih ratnih brodova. Sprijeda je imao

sjedalo za pilota, a iza motora nalazilo se unatrag okrenuto sjedalo za promatraa. Pokretao ga je jedan

sedmerocilindrini radijalni motor Siemens-Halske Sh 14 od 119kW, koji je omoguavao najveu


- 17 -

teinu pri uzlijetanju od 1000kg i traio odravanje svakih 400 sati za razliku od Fockeovih 25.

Maksimalna brzina iznosila je 150km/h, a sa punom posadom imao je dolet 170km.

Slika 1.25. Fl-282 iz 1944. godine

Igor Sikorsky nastavio je razvoj predratnog modela VS-300, te 1944. predstavio prvi serijski

helikopter na svijetu. Bio je to model R-4. Trup je raen od elika, a rep je bio cijevna konstrukcija

prekrivena platnom. Prvi puta se pojavila i potpuno zatvorena pilotska kabina sa usporednim sjedalima

i dvostrukim kontrolama. Pokretao ga je Warnerov R-550 motor od 134kW, a dolet mu je bio 370km.

Bilo je proizvedeno 100 komada.

Slika 1.26. Sikorsky R-4 iz 1944. godine

Nakon uspjeha modela R-4, vojska je naruila veliki promatraki helikopter sa veom nosivosti,

trajanjem leta, brzinom i plafonom leta. Sikorsky je na to odgovorio modelom R-5. Imao je motor od

336kW, promjer rotora 14.6m i nosivost od 500kg. Maksimala visina leta iznosila je 4300m.

Proizvedeno je 65 komada, a uglavnom se koristio u spasilake svrhe. Zbog svojeg oblika jedan je od

najprepoznatljivijih helikoptera etrdesetih godina.


- 18 -

Slika 1.27. Sikorsky R-5 iz 1946. godine

U razdoblju nakon drugog svjetskog rata u Sjedinjenim dravama pokrenut je ubrzan razvoj

helikoptera, te je u kratkom vremenu svjetlo dana ugledalo mnogo modela. Svakako se pri tome mora

spomenuti Bellov Model 30, koji je bio prvi komercijalni helikopter i prvi proizveden u Bellovoj

tvornici, a koristio je i kao predloak za puno poznatiji model 47, koji je najveu primjenu imao u

Korejskom ratu za evakuaciju ranjenika.

Slika 1.28. Bell Model 30 i Model 47

Iako je proizveden mali broj primjeraka i nije imao zapaenu karijeru, ipak je potrebno spomenuti

helikopter Pasecki HRP-1, kao prvi praktini helikopter sa tandem rotorima, te u vrijeme pojavljivanja

kao najvei helikopter bilo koje vrste. Da se osigura da se rotori ne mogu udariti u letu, stranji dio

trupa zavinut je uvis, tako da je stranji rotor vii od prednjeg. Trup je izgraen kao elina

konstrukcija sa drvenim rebrima i prekrivena platnom. Pokretao ga je motor Pratt & Whitney R-1340-

AN-1 od 600hp. Mogao je prenostiti 2 lana posade, 8 putnika ili 907kg tereta. Dolet mu je bio 483km

pri 169km/h.


- 19 -

Slika 1.29. Piasecki HRP-1 iz 1945. godine

1.8. Pojava turbovratilnih motora

Poetkom pedesetih godina prolog stoljea, konstruktori su poeli uviati ogranienja

upotrebe klipnih motora u helikopterima. Malo poveanje snage znailo je znatno poveanje teine, te

su znali da e uskoro dosei nepremostivi maksimum nosivosti. 1951. godine, na nagovor poznanika u

Ministarstvu mornarice, Charles Kaman prilagodio je svoj model K-225 da moe prihvatiti novu vrstu

motora turbovratilni. To je omoguilo drastino poveanje snage, i 11. prosinca, 1951 poletio je prvi

helikopter sa plinskom turbinom.

Slika 1.30. Kaman K-225 iz 1951. godine

Prvi helikopter konstruiran za upotrebu plinske turbine bio je Arospatiale Alouette II. Glavna

namjena bila je nedgledanje i spaavanje, ali je takoer nosio protutenkovske rakete i navoena

torpeda. U civilne svrhe koriten je za evakuaciju unesreenih, zapraivanje usjeva i kao letei kran

nosivosti 500kg.


- 20 -

Slika 1.31. Arospatiale Alouette II iz 1956. godine

Ranih 1950-ih Vlada Sjedinjenih drava dodijelila je tvrtki General Electric ugovor od 3 milijuna

dolara za razvoj prvog turbovratilnog motora namijenjenog iskljuivo upotrebi u helikopterima.

Razvoj je trajao gotovo cijelo desetljee, ali je 1959 predstavljen motor T-58, koji je bio prvi turbinski

motor certificiran za upotrebu u civilnim helikopterima. U raznim varijantama proizvodio se do 1984,

te tako postao i najkoriteniji helikopterski motor. Osnovna verzija razvijala je snagu od 1,044kW, a

konana 1,390kW.

Slika 1.32. General Electric XT-58

Prvi helikopter koji je koristio motore T-58, bio je poznati Sikorsky SH-3 Sea King. 1957. Sikorsky je

dobio nalog za razvoj amfibijskog helikoptera, koji e moi letjeti u svim vremenskim uvjetima,

glavna namjena bi mu bila potraga i unitenje podmornica. Predvien je za brodsku upotrebu, budui

da ima pet sklopivih lopatica glavnog i repnog rotora, radi lakeg skladitenja. Zbog amfibijskog trupa

moe sletjeti na povrinu mora. Posada se sastoji od etiri lana (2 pilota i dva specijalista), a u ulozi

svaavanja moe prenositi 22 osobe.


- 21 -

1959. SH-3A Sea King postao je prvi helikopter koji je letio bre od 200km/h, a u upotrebi je jo i

danas za spaavanje na moru, ali i kao predsjedniki helikopter SAD-a.

Slika 1.33. Sikorsky SH-3A Sea King

Vjerojatno najpoznatiji helikopter svih vremena nosi oznaku Bell UH-1, no poznatiji je po

nadimku Huey. UH-1 ima po dvije lopatice na glavnom i repnom rotoru, to mu u letu daje

prepoznatljiv zvuk. Pokree ga takoer General Electric T-58 turbovratilni motor. Promjer glavnog

rotora mu je 14.63m, nosivost 1,440kg, a dolet 507km pri 201km/h. U proizvodnju je uao 1960.

godine, a u Vijetnamskom ratu ih je u upotrebi bilo 7,000. Do danas je proizvedeno preko 16,000

primjeraka u raznim varijantama, a UH-1 je jo uvijek u aktivnoj slubi.

Slika 1.34. Prototip Bell-a UH-1


- 22 -

2. PRINCIP LETA HELIKOPTERA

2.1. Sile koje djeluju na helikopter

Helikopter i avion, generalno gledajui, lete prema istim zakonima aerodinamike. U

vertikalnom letu na helikopter djeluju potisna sila i teina , dok se tijekom horizontalnog leta

javlja sila otpora trupa helikoptera te se potisna sila razdvaja na komponente uzgona i

propulzivne sile . Propulzivna sila po iznosu je jednaka otporu, ali suprotnog smjera; dok je sila

uzgona jednaka teini, ali suprotnog smjera. U bilo kojem reimu leta (lebdenje, vertikalni let, let

prema naprijed, u stranu ili unatrag), potisna sila rotora okomita je na ravninu rotiranja rotora. Ravnina

rotiranja rotora je zamiljena kruna ravnina koja je omeena krunom putanjom vrhova lopatica.

Slika 2.1. Sile koje djeluju na helikopter tijekom lebdenja i vertikalnog leta


- 23 -

Lebdenje - Prilikom lebdenja u uvjetima bez vjetra, ravnina rotiranja lopatica je horizontalna, odnosno

paralelna s tlom. Potisna sila po iznosu jednaka je teini, ali suprotnog smjera(slika 2.1.).

Vertikalni let - Tijekom vertikalnog leta u uvjetima bez vjetra, potisna sila djeluje vertikalno prema

gore. Teina djeluju vertikalno prema dolje. Ako je potisna sila manja od teine, helikopter se

vertikalno sputa, a ako je potisna sila vea od teine, helikopter se vertikalno die (slika 2.1.).

Let unaprijed - Za unaprijed ravnina rotiranja vrhova lopatica mora biti nagnuta prema naprijed,

odnosno potisna sila je nagnuta prema naprijed i nije vie vertikalna. Potisna sila se rastavlja na dvije

komponente: uzgon koji djeluje vertikalno prema gore, te propulzivna sila koja djeluje horizontalno u

smjeru leta. Uz uzgon i propulzivnu silu, opet postoji teina koja djeluje vertikalno prema dolje, otpor,

sile inercije i otpor vjetra (slika 2.2.).

U horizontalnom ravnotenom letu (pravocrtni let unaprijed na konstantnoj visini), uzgon je jednak

teini, a propulzivna sila jednaka je otporu. Ako uzgon postane vei od teine, helikopter se podie, a

ako postane manji, helikopter se sputa. Ako propulzivna sila postane vea od otpora, helikopter

ubrzava, a ako postane manja od otpora, helikopter usporava.

Let unatrag - Tijekom leta unatrag, ravnina rotiranja vrhova lopatica i potisna sila zakrenuti su prema

natrag. Propulzivna sila djeluje horizontalno prema natrag, a otpor horizontalno prema naprijed.

Uzgon djeluje vertikalno prema gore, a teina vertikalno prema dolje (slika 2.2.).

Let u stranu - U letu u stranu, ravnina rotiranja vrhova lopatica i potisna sila su zakrenuti u stranu,

odnosno u smjeru kretanja helikoptera. U tom sluaju uzgon i dalje djeluje vertikalno prema gore, a

teina vertikalno prema dolje, dok propulzivna sila djeluje u bok helikoptera i suprotstavlja se

suprotno usmjerenom otporu (slika 2.2.).


- 24 -

Slika 2.2. Sile koje djeluju na helikopter tijekom leta unaprijed, leta u stranu

i leta unatrag


- 25 -

2.2. Moment

Newtonov trei zakon gibanja kae: "Za svaku akciju postoji jednaka reakcija suprotnog

smjera". Kako se glavni rotor helikoptera okree u jednom smjeru, trup se nastoji okrenuti u

suprotnom smjeru (slika 2.3.). Tendencija da se trup okrene u suprotnu stranu od rotiranja rotora

naziva se moment. Kako je efekt momenta na trupu izravan rezultat snage motora kojom je pogonjen

glavni rotor, svaka promjena u snazi motora donosi odgovarajuu promjenu u efektu momenta. to je

vea snaga motora, vei je i efekt momenta. Kako tijekom autorotacije motor ne daje snagu, nema niti

efekta momenta tijekom autorotacije.

Silu koja kompenzira efekt momenta i sprjeava rotiranje trupa u smjeru suprotnom od rotiranja

glavnog rotora, proizvodi repni rotor. Repni rotor (jo nazivan pomoni rotor, antimomentni rotor ili

antirotor) proizvodi potisak u smjeru suprotnom od momenta kojim se trup nastoji okrenuti (slika

2.3.). None pedale u kokpitu omoguavaju pilotu da po potrebi povea ili smanji potisak repnog

rotora kako bi se neutralizirao efekt momenta.

Slika 2.3. Repni rotor kompenzira moment uslijed rotacije glavnog rotora

2.3. Giroskopska precesija

Giroskopi su tijela u obliku diska znatnije mase i momenta tromosti prema vlastitoj osi

simetrije, a ovjeena su preko kardanovog zgloba (slika 6). Stacionarna sferna gibanja takvih tijela

mogu se jednostavno prouavati po priblinoj teoriji. Jednadba stacionarnog gibanja giroskopa prema

priblinoj teoriji vrijedi uz uvjet da je kutna brzina vea od precesije i glasi:

0 = (1)


- 26 -

gdje je 0 vanjski moment koji djeluje na giroskop, moment tromosti oko osi simetrije,

precesija, a je kutna brzina. Djelovanju vanjskog momenta 0 suprotstavlja se moment koji se

naziva giroskopski moment i ima vrijednost = .

Slika 2.4. Priblina teorija giroskopa

Rotirajui glavni rotor helikoptera ponaa se kao giroskop. Kao takav takoer ima svojstva giroskopa

kao to je precesija. Giroskopska precesija je rezultat otklona rotirajueg objekta kada se na njega

djeluje silom. Ta se reakcija pojavljuje priblino 90 u smjeru rotacije od toke gdje je sila

primjenjena (slika 2.5.). Koritenjem ovog principa naginje se ravnina rotacije vrhova lopatica

glavnog rotora.

Kontrola ciklikog nagiba u rotoru s dva kraka poveava napadni kut jednog kraka rotora i time se

dobiva vei uzgon na tom djelu ravnine rotacije. Ta ista kontrola simultano smanjuje napadni kut

drugog kraka za isti iznos i smanjuje uzgon na tom djelu ravnine rotacije rotora. Krak s poveanim

napadnim kutom ima tendenciju podizanja, dok krak sa smanjenim napadnim kutom ima tendenciju

sputanja. No, zbog giroskopske precesije krakovi ne postiu svoj maksimalni otklon sve do toke

udaljene priblino 90 u ravnini rotacije. Na slici 2.6. vidi se da se napadni kut nazadujue lopatice

poveava, a napredujue lopatice smanjuje to rezultira naginjanjem ravnine rotacije prema naprijed

jer se maksimalni otklon pojavljuje tek 90 od djelovanja promjene uzgona.


- 27 -

Slika 2.5. Princip giroskopske precesije

U rotoru s tri kraka kontrola ciklikog nagiba mijenja napadni kut svakog kraka za takav iznos da je

krajnji rezultat jednak - naginjanje ravnine vrhova rotora prema naprijed. Kako svaka lopatica proe

90 s lijeve strane, pojavljuje se i maksimalno poveanje napadnog kuta. Isto tako, kako svaka lopatica

proe 90 s lijeve strane, pojavljuje se maksimalno smanjenje napadnog kuta.

Slika 2.6. Giroskopsko ponaanje rotorskog diska

2.4. Nesimetrinost uzgona

Podruje unutar ravnine rotacije vrhova rotora naziva se podruje diska ili rotorski disk.

Prilikom lebdenja u uvjetima bez vjetra, uzgon koji generiraju lopatice je jednak po cijelom podruju

diska. Nesimetrinost uzgona se pojavljuje u horizontalnom letu ili ako ima vjetra tijekom lebdenja.

To je razlika u uzgonu koja postoji izmeu polovice podruja diska s napredujuom lopaticom i

polovice podruja diska s nazadujuom lopaticom.

U sluaju da rotor rotira svojom uobiajenom kutnom brzinom a helikopter se ne kree, brzina vrha

lopatica veine helikoptera je priblino 600 km/h. Tijekom lebdenja u uvjetima bez vjetra brzina

nastrujavanja zraka na lopatice rotora jednaka je u cijeloj ravnini putanje vrhova lopatica i smanjuje se

pomicanjem prema glavi rotora (slika 2.7. dolje). Kada se helikopter kree u horizontalnom letu,


- 28 -

relativna brzina optjecanja pojedine lopatice postaje kombinacija brzine uslijed kutne brzine rotora i

brzine kretanja helikoptera prema naprijed (slika 2.7. gore).

Slika 2.7. Usporedba brzina napredujue i nazadujue lopatice rotora tijekom

lebdenja i leta unaprijed

Na poziciji 90 na desnoj strani, napredujua lopatica ima brzinu uslijed kutne brzine uveanu za

brzinu leta helikoptera. Na poziciji 90 na lijevoj strani, lopatica rotora ima brzinu uslijed kutne brzine

umanjenu za brzinu leta helikoptera (na slici je pretpostavljeno da se helikopter kree brzinom 150


- 29 -

km/h prema naprijed). Drugim rijeima, relativna brzina nastrujavanja zraka je maksimalna na 90 na

desnoj strani, a minimalna na 90 na lijevoj strani.

Zbog nesimetrinosti uzgona helikopter ima tendenciju valjanja ulijevo pa mora postojati neka

kompenzacija kako bi se to sprijeilo. To se sprjeava mahanjem lopatica.

2.5. Mahanje lopatica

Kod helikoptera iji potisni sustav sadri tri lopatice, lopatice su privrene na glavu rotora

pomou vodoravne arke koja omoguava njihovo vertikalno kretanje. Ako kod leta unaprijed

pretpostavimo da nagib lopatica ostaje konstantan, poveani uzgon na napredujuoj lopatici e

uzrokovati pomicanje lopatice iji se napadni kut smanjio jer se smjer nastrujavanja zraka na lopaticu

promjenio iz horizontalnog u silazni smjer.

Smanjeni uzgon na nazadujuoj lopatici uzrokovat e pomicanje lopatice prema dolje, poveavajui

napadni kut zbog toga to relativna brzina nastrujavanja zraka mjenja smjer iz horizontalnog u silazni

smjer. Kombinacija smanjenog napadnog kuta na napredujuoj lopatici i poveanog napadnog kuta na

nazadujuoj lopatici omoguava izjednaavanje uzgona na dva dijela rotorskog diska, kroz mahanje

lopatica. Kod helikoptera iji rotorski sustav sadri dvije lopatice, obje lopatice simultano mau. Dok

se napredujua lopatica pomie prema gore zbog poveanja uzgona, nazadujua lopatica se pomie

prema dolje zbog smanjena uzgona.

Promjena napadnog kuta svake od lopatica uzrokuje novim mahanjem te nastoji izjednaiti uzgon na

dva dijela rotorskog diska. Kontrole ciklikog nagiba kod leta unaprijed uzrokuje smanjenje napadnog

kuta na napredujuoj lopatici i poveanje napadnog kuta na nazadujuoj lopatici. Ovo utjee na

izjednaavanje uzgona na svakoj od polovica rotorskog diska.

2.6. Koniranje lopatica rotora

Efekt koniranja predstavlja savijanje lopatica prema gore, a uzrokovan je kombinacijom sila

uzgona i centrifugalne sile. Prije uzlijetanja, lopatice rotiraju u ravnini koja je priblino okomita na os

vrtnje rotora, budui da je centrifugalna sila glavna sila koja utjee na njega (slika 2.8.). Nakon

vertikalnog uzlijetanja, dvije glavne sile djeluju u isto vrijeme. Centrifugalna sila koja djeluje u ravnini

rotacije okomito na glavnu os rotora te sila uzgona koja djeluje prema gore i paralelno s glavnom osi

rotora. Kao rezultat djelovanja ovih dviju sila stvara se stoasti oblik i lopatice vie nisu u ravnini

okomitoj na glavnu os rotora. Efekt koniranja rezultira savijanjem lopatica polukrutog rotora. Kod

pominog rotora lopatice zauzimaju kut usmjeren prema gore pomou arki koje omoguavaju

mahanje lopatica.

Slika 2.8. Koniranje lopatica


- 30 -

2.6. Coriolisov efekt

Sloeno gibanje toke nastaje kada se toka giba s obzirom na neki pomini (relativni)

koordinatni sustav , , koji se s obzirom na nepomini (apsolutni) x, y, z takoer giba (slika 2.9.).

Relativno gibanje toke A u odnosu na , , koordinatni sustav odreeno je promjenom koordinata

poloaja toke A u tom sustavu, odnosno promjenom vektora po veliini i po smjeru u odnosu na osi

relativnog sustava , , . Prijenosno gibanje za toku A jest gibanje koordinatnog sustava , , u

odnosu na apsolutni koordinatni sustav x, y, z.

Brzina toke A je prema definiciji:

= (2)

Slika 2.9. Pomini i nepomini koordinatni sustav

U nepominom koordinatnom sustavu bit e =+ + . Poi emo od toga da su nam

poznati r i kao funkcije vremena:

= + + (3)

= + + (4)

Iz slike 2.9. vidi se da je = + , pa je apsolutna brzina toke A:

=

(+ ) (5)

Nakon uvrtavanja (3) i (4) u (5) dobiva se nakon deriviranja:

= + + + + + + + + (6)


- 31 -

U tom izrazu jedinini vektori , i imaju priraste zbog sfernog gibanja sustava , , oko O1.

Ako je kutna brzina sfernog gibanja, tada se derivacije jedininih vektora dobivaju vektorskim

mnoenjem slijeva kutnom brzinom, te je nakon ureenja:

= + + + + + + + + (7)

Prva tri lana na desnoj strani daju brzinu toke O1. To je brzina zbog prijenosne translacije 1. U

vektorskom produktu komponente u zagradi daju vektor , tako da je taj produkt jednak brzini 1

zbog prijenosnog sfernog gibanja. Zadnja tri lana ine brzinu relativnog gibanja toke A u sustavu

, , . Prema tome je brzina toke A

= 1 + 1 + (8)

Apsolutno ubrzanje toke A prva je derivacija vektora apsolutne brzine, pa desnu stranu izraza (6)

treba derivirati jo jednom po vremenu. Derivacija kutne brzine daje kutno ubrzanje = . Kada se

za derivacije jedininih vektora uvrste odgovarajui vektorski produkti, te kada se cijeli izraz sredi,

dobiva se

= + + + + + + + + 2 (9)

Prva tri pribrojnika na desnoj strani odgovaraju ubrzanju toke O1, pa je to ubrzanje zbog prijenosne

translacije 1. Slijedea dva vektorska produkta poznate su komponente 1 i 2 prijenosnog sfernog

gibanja koje zbrojene daju ubrzanje zbog te komponente gibanja 1. Naredna tri pribrojnika daju

ubrzanje koje je posljedica relativnog gibanja toke A u sustavu , , . Na kraju ostaje dopunsko

ubrzanje ili tzv. Coriolisovo ubrzanje . Izraz za apsolutno ubrzanje glasi

= + + (10)

u kojem je = 2 . Ako se kut izmeu vektora i oznai s , bit e iznos Coriolisovog

ubrzanja

= 2 sin (11)

Coriolisov efekt nastaje zbog mahanja lopatica. Kada doe do mahanja jedne od lopatice rotora iz

sustava s tri lopatice, centar mase te lopatice se pomakne blie osi rotacije i dolazi do promjene kuta

i ubrzanja lopatice. Kada se nagib lopatice smanji, njen centar mase se udaljava od osi rotacije i dolazi

do usporavanja lopatice (slika 12). Tendenceija lopatice rotora da povea ili smanji svoju brzinu u

ravnini rotacije zbog pomicanja mase poznata je kao Coriolisov efekt.


- 32 -

Slika 2.10. Promjena poloaja centra mase uslijed mahanja lopatica

Ubrzanje i usporavanje lopatica rotora absorbira se pomou priguivaa ili same lopatice, ovisno o

konstrukciji rotorskog sustava. Sustavi s dvije lopatice su u mnogo manjoj mejeri podloni

Coriolisovom efektu od sustava s tri lopatice, jer su lopatice pomaknute u odnosu na os vrtnje rotora,

dok je razlika u udaljenosti centra mase od osi rotacije mala. Ubrzavanje i usporavanje kod ovakvog

sustava absorbira se pomou savijanja loptica.

2.7. Efekt zemlje (efekt zranog jastuka)

Prilikom operacije helikoptera u blizini zemlje brzina struje usmjerene prema dolje, a

proizvedene pomou lopatica rotora ne moe se u potpunosti razviti zbog neposredne blizine povrine

zemlje (slika 2.11.). Ovo se dogaa kada helikopter dostigne relativno nisku visinu. Obino je ta visina

manja od dvostrukog promjera glavnog rotora. Kada se brzina opstrujavanja lopatica smanjuje,

inducirani napadni kut svake lopatice se smanjuje i vektor sile uzgona postaje vie vertikalan.

Istodobno dolazi i do smanjenja sile otpora, inducurani napadni kut se smanjuje, a napadni kut koji

stvara uzgon se poveava. Ukupni rezultat efekta zemlje je znaajno poveanje uzgona i manja snaga

potrebna za svladavanje teine helikoptera.

Slika 2.11. Efekt zemlje


- 33 -

2.8. Premjetanje uzgona

Premjetanje uzgona predstavlja dodatni uzgon koji se dobije tijekom horizontalnog leta zbog

poveane iskoristivosti rotorskog sustava. Rotorski sustav koristi vie uzgona prilikom uspravnog leta

jer vea brzina strujanja omoguava disku rotora veu koliinu zraka po jedinici vremena za rad od

one koju dobije za vrijeme lebdenja.

Translacijski uzgon je prisutan prilikom bilo kojeg horizintalnog letenja, iako se poveanje uzgona

nee primjetiti sve dok brzina zraka ne dosegne vrijednot od 6,7 km/h. Dodatni uzgon koji je mogue

postii na ovoj brzini naziva se efektivni translacijski uzgon i lako se prepoznaje tijekom leta

helikoptera, jer helikopter tada ima bolje performanse. Budui da translacijski uzgon ovisi o brzini

zraka, helikopter ne mora biti u horizontanom letu da bi dobio taj uzgon. Translacijski uzgon e biti

prisutan tijekom lebdenja u struji zraka, dok e efektivni translacijski uzgon biti prisutan tijekom

lebdenja u struji zraka brzine 6,7 km/h ili vie.

2.9. Transverzalni efekt strujanja

Tijekom leta unaprijed zrak koji prolazi kroz zadnji dio rotorskog diska ima veu brzinu

strujanja prema dolje nego zrak koji prolazi kroz prednju stranu rotorskog diska. Ovo se dogaa jer je

zrak koji prolazi kroz stranji dio ubrzavan vei dio vremena nego zrak koji prolazi kroz prednji dio.

Ova poveana brzina struje zraka koja je usmjerena prema dolje javlja se na stranjem dijelu diska te

smanjuje napadni kut i uzgon lopatica, to u kombinaciji s giroskopskom precesijom uzrokuje

naginajnje rotorskog diska ulijevo. Uzgon na prednjem djelu rotorskog diska je vei nego na stranjem

djelu. Princip giroskopske precesije nalae da e se maksimalni otklon rotorskih lopatica dogoditi

nakon 90 u pravcu rotacije. Ovo znai da e rotorske lopatice dosegnuti maksimalni otklon prema

gore na lijevoj strani, a maksimalni otklon prema dolje na desnoj strani helikoptera.

2.10. Autorotacija

Autorotacija je izraz koji se koristi za uvjete leta u kojem nijedan motor nije pogonjen, a

glavni rotor je pogonjen samo zrakom koji nastrujava na lopatice. Autorotacija omoguava sigurno

slijetanje nakon otkaza motora. Transmisija helikoptera je nainjena na nain da se motor prilikom

njegova otkaza automatski iskljui iz glavnog rotorskog sustava da bi omoguilo slobodno rotiranje

glavnog rotora.

Ova mogunost autorotacije je zahtjevana od svih helikoptera prije nego dobiju FAR/EASA certifikat.

Kada se snaga motora dovodi glavnom rotoru, struja zraka je usmjerana prema dolje kroz rotor. Kada

se snaga motora ne dovodi glavnom rotoru, tada je helikopter u autorotaciji, a struja zraka je

usmjerena prema gore kroz rotor. Njeno opstrujavanje uzrokuje kontinuirano okretanje rotora nakon

otkaza motora.


- 34 -

Slika 2. 12. Usporedba autorotacije u vertikalnom letu i letu unaprijed

Dio rotora koji stvara silu koja okree rotor kada motor vie ne dovodi snagu rotoru smjeten je na

otprilike 25-75% duljine radijusa kraka rotora (tzv. podruje autorotacije). Aerodinamike sile du

ovog podruja nastoje ubrzati rotaciju lopatica. Unutranjih 25% duljine radijusa rotorskih lopatica,

nazvane podruje stall-a radi iznad svojeg maksimalnog napadnog kuta i na taj nain rezultira

stvaranjem male koliine uzgona i velike koliine otpora koji usporava lopatice.

Vanjskih 30% lopatica rotora naziva se pogonsko podruje. Aerodinamike sile u ovom podruju

rezultiraju malom silom otpora koja pokuava usporiti vrni dio lopatica.

Aerodinamika podruja opisana iznad su iskljuivo za podruje autorotacije za vrijeme vertikalnog

leta helikoptera. Tijekom autorotacije u letu prema naprijed ova podruja su pomaknuta uzdu

rotorskog diska ulijevo (slika 2.12.).


- 35 -

3. OSNOVNI ELEMENTI KONSTRUKCIJE HELIKOPTERA

3.1. Konstrukcijske izvedbe helikoptera

Helikopteri se prema konstrukcijskim izvedbama dijele na jednorotone dvorotone i vierotone,

dok se sami rotori mogu podijeliti na dvokrake, trokrake i viekrake. Jednorotomi helikopteri ili

helikopteri monorotori predstavljaju uobicajene konstrukcije u suvremenim izvedbama helikoptera, a

mogu biti sa pogonom na vratilu rotora ili pogonom smjestenim na krajevima lopatice rotora.

U slucaju pogona na vratilu rotora moment rotora moe se uravnoteiti momentom propulzivne sile

antirotora koji je smjeten na dovoljnoj udaljenosti od osi okretanja rotora (slika 3.1.) kao to je to u

konstrukciji helikoptera Sikorsky S-51, Bristol 171, Bell H-13-8 itd. ili momentom repnih povrina

koji uzrokuje mlaz struje antirotora (slika 3.2.) smjetenog na dovoljnoj udaljenosti iza osi okretanja

rotora (npr. kod helikoptera Nord 1700).

Slika 3.1. Bell 47, jednorotorni helikopter s klasinim antirotorom

Slika 3.2. Piasecki 16-H, jednorotorni helikopter s potisnim antirotorom


- 36 -

Moment rotora u slucaju pogona na krajevima lopatica rotora sa klipnim motorima i elisama, kao to

je to u konstrukcijama helikoptera (slika 3.3.) Isacco i Helesen Kalin, odnosno sa mlaznim motorima

(slika 3.4.), kao u konstrukcijama helikoptera McDonnell i SNCASO uravnoteava se okretnim

momentom reaktivnog djelovanja mlaza elise, odnosno motora pri cemu ostaje samo neznatni moment

sile trenja u leaju rotora koji se prenosi na trup i koji se lako uravnoteava njegovim pogodnim

oblikovanjem.

Slika 3.3. Helikopter Isacco s pogonom rotora pomou klipnih motora koji pogone elise na krajevima

lopatica

Slika 3.4. Helikopter McDonnell SNCASO s rotorom pogonjenim mlaznim motorima

Svako konstrukcijsko rjeenje ima prednosti i nedostatke u odnosu na drugo. Tako helikopter

monorotor sa antirotorom, i pored toga to antirotor absorbira do 10 postotaka raspoloive snage pri

lebdenju i oko cetiri posto pri translatornom letu, ima prednost pred drugim konstrukcijskim

rijeenjima male i srednje velicine helikoptera zbog jednostavnih rjeenja upravljanja i transmisija.

Jedini ozbiljni nedostatak kod ove konstrukcije je antirotor koji uvijek predstavlja opasnost za osoblje

koje opsluuje helikopter na zemlji, zato to pilot ne moe obratiti panju na zbivanja oko antirotora

iza njegovih leda.

Helikopteri sa pogonskim grupama mlaznih motora ili mlaznica ugraenih na krajevima krakova

rotora mogu se primjeniti i kod malih i kod velikih helikoptera, ali im je nedostatak velika specifina

potronja goriva.

Helikopteri dvorotori ili helikopteri birotori, kako se jo nazivaju, mogu se konstrukcijski izvesti sa

koaksijalnim rotorima, sa uporednim rotorima (sinhropteri) ili tandem rotorima. Kod konstrukcija

helikoptera s koaksijalnim rotorima koji se okrecu u suprotnom smjeru (slika 3.5.) kao, to je npr.


- 37 -

helikopter Breguet-Dorond GY, momenti rotora se uzajamno uravnoteavaju pa nema prenoenja

njihovog momenta na trup helikoptera.

Slika 3.5. Kamov Ka-25, helikopter s koaksijalnim rotorom

Rotori ovdje mogu imati iste ili razlicite promjere i mogu se obrtati sa istim ili razlicitim brojem

okretaja, ali pri tome moraju ostvarivati iste momente. Prednost ovakve konstrukcije je u tome to

nema gubitaka snage za pogon antirotora i to su dimenzije rotora za istu teinu hclikoptera u ovom

slucaju manje. Nedostatak je u tome to je kinematika glave rotora i komandi upravljanja znatno

sloenija to dovodi do povecanja njihove teine.

Helikopteri birotori mogu se izvesti i sa usporednim rotorima povezanih vratila koja se nalaze na

razmaku manjem od polumjera rotora i okrecu se u suprotnom smjeru (slika 3.5.) kao to je sluaj sa

helikopterima Flettner 282. Kaman 190 i dr., odnosno na rastojanju osi manjem od promjera rotora

(slika 3.6.), kao to je helikopter Landgraff, ili sa uporednim rotorima nepovezanih vratila ciji je

razmak veci od promjera rotora (slika 3.7.) kao to je helikopter Focke-Wulf 61 npr. Helikopteri prve

vrste poznati su i pod imenom sinhropter, a drugi pod imenom asinhropteri.

Slika 3.5. Helikopter Kaman 190


- 38 -

Slika 3.6. Helikopter s usporednim rotorima s razmakom rotora manjim od promjera rotora

Slika 3.6. Helikopter sa usporednim rotorima na razmaku veem od promjera rotora

Prednost ovakvih konstrukcija rotora je u tome to je specifino optereenje rotora za istu teinu

manje u odnosu na monorotore i koaksijalne rotore, ali je zato sloena kinematika transmisije to

poveava teinu helikoptera.

Helikopteri birotori mogu se izvesti i u konstrukciji tandem rotora (slika 3.7.). Prednost ove

konfiguracije rotora je, ne samo u smanjenju specifinog optereenja rotora, ve i u mogunosti znatne

promjene centra teita, tako da se koristan teret moe razmjetati u vrlo razlicitim odnosima izmeu

rotora. Nedostatak joj je u sloenoj konstrukciji transmisije izmeu rotora i smanjenje efikasnosti

uzgona rotora u odnosu na monorotor zbog rada jednog rotora u mlazu drugog. Ovaj gubitak u

efikanosti uzgona moe se smanjiti izdizanjem zadnjeg rotora u odnosu na prednji.


- 39 -

Slika 3.7. Helikopter Piasecki H-21

Helikopteri multirotori ili vierotori (slika 3.8.) kao npr. helikopter Florinne ili Cierva W11, mogu se

primjeniti u izgradnji tekih helikoptera. Sa porastom broja rotora opada specifino optereenje po

kvadratnom metru ravnine okretanja. Osim toga poveanje broja rotora daje mogunost da se

pojednostavni sustav upravljanja jer se poveanjem uzgona jednog odredenog rotora u odnosu na

ostale helikopter moe usmjeriti u eljenom pravcu.

Slika 3.8. Helikopter Cierva W11

3.2. Konstrukcija helikoptera

Tipina izvedba helikoptera sastoji se od trupa za smjetaj posade I korisnog tereta, pogonske

grupe koja ima motor vezan preko transmisije za glavu rotora i rotor, te repnog rotora to uravnoteuje

moment glavnog rotora (slika 3.9.).


- 40 -

Slika 3.9. Tipina izvedba helikoptera

1 glava rotora; 2 lopatica rotora; 3 Glavni reduktor; 4 motor; 5 prvi reduktor; 6 rezervoari goriva; 7

ploa s instrumentima; 8 posada; 9 zglobovi lopatica; 10 repna transmisija; 11 repni reduktor;

helikopteri.pdf

Documents