هلیکوپتر چگونه پرواز می کند؟

از دیگر پرنده هایی که دارای سابقه کمتری نسبت به پرنده های بال ثابت می باشد هلیکوپترها است. هلیکوپتر جز دسته بندی پرنده های عمود پرواز می باشد و از این جهت پس از ورود به عرصه صنعت هوانوردی جایگاه ویژه ای برای خود باز نموده است. این پرنده به دلیل مکانیز پرواز خود تقریبا قادر است در هر جایی فرود بیاید. از این جهت هلیکوپتر ها در صنایع نظامی و شرایط بحرانی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. به طور کلی هزینه تولید هلیکوپتر ها بیشتر از پرنده های بال ثابت نظیر هواپیما ها می باشد و علت این موضوع به خاطر مکانیزم پیچیده پرواز، سیستم ناوبری پیشرفته و همچنین قطعات بیشمار بکار رفته در ساخت آن است. برای فهم بهتر نحوه پرواز یک هلیکوپتر ابتدا باید به آیرودینامیک پرواز یک هلیکوپتر بپردازیم. در این مقاله به صورت خلاصه به آیرودینامیک و مکانیز پرواز یک هلیکوپتر خواهیم پرداخت.

نیروهای وارد بر هلیکوپتر در آسمان

به طور کلی هر هلیکوپتر از یک ملخ بزرگ برروی بدنه اصلی خود و یک ملخ کوچکتر بر روی دم خود برای پرواز و حفظ تعادل خود بهره می برد. زمانی که یک هلیکوپتر به صورت معلق در آسمان قرار دارد 4 نیروی آیرو دینامیکی به آن وارد می شود  که در ادامه به توضیح هر کدام خواهیم پرداخت.

نیروی لیفت (Lift) : این نیرو در جهت بالا به هلیکوپتر اعمال می شود و در واقع اصلی ترین نیرو برای پرواز یک هلیکوپتر است. این نیرو به خاطر چرخش ملخ بزرگ هلیکوپتر ایجاد می گردد. اما برای بررسی این موضوع که چرا چرخش ملخ باعث ایجاد این نیروی رو به بالا می شود ابتدا باید نگاهی دقیق تر به مقطع ملخ هلیکوپتر انداخت. در شکل زیر شما می توانید نمای برش خورده از سه قسمت یک پره از ملخ هلیکوپتر را مشاهده نمایید. به شکلی که حاصل از نمای برش خورده ملخ هلیکوپتر ایجاد می شود ایرفویل گفته می شود.

با افزایش سرعت دوران ملخ هلیکوپتر و عبور جریان هوا از مقطع ایرفویلی شکل ملخ یک یک افت فشار در بالای مقطع ایرفول ایجاد می گردد که این افت فشار در بالای ملخ سبب ایجاد یک نیروی رو به بالا به ملخ هلیکوپتر شده که همان نیروی لیفت بوده که هلیکوپتر را  رو به بالا حرکت می دهد. در شکل زیر می توانید نیروی لیفت وارد بر یک ایرفویل را مشاهده کنید.

نیروی وزن(Weight): این نیروی برای همه کاملا آشناست. تمام اجسام دارای نیروی وزن هستند. نیروی وزن یا گرانش نیرویی است که از طرف زمین به اجسام وارد شده و آن را به سمت پایین می کشد. جهت نیروی وزن وارد بر یک هلیکوپتر همواره رو به پایین و به صورت عمود می باشد. در صورتی که سرعت دوران ملخ هلیکوپتر افزایش پیدا کند و نیروی لیفت ایجاد شده بزرگتر از نیروی وزن شود هلیکوپتر رو به بالا می رود و از زمین فاصله خواهد گرفت. در صورتی که سرعت دوران ملخ هلیکوپتر کاهش پیدا کرده و نیروی لیفت کمتر از وزن هلیکوپتر شود، هلیکوپتر ارتفاع کم کرده و به سمت زمین حرکت می کند. در صورتی که نیروی لیفت با نیروی وزن هلیکوپتر برابر شود هلیکوپتر به صورت معلق و ثابت در آسمان خواهد ماند.

نیروی درگ (drag): نیروی درگ در واقع نیرویی است که به هر پرنده در حال پرواز وارد می شود. این نیرو دقیقا در جهت خلاف جهت پرواز و به صورت موازی از طرف جریان هوای محیط به پرنده وارد می شود. برای جبران این نیروی مخالف که از سوی جریان هوا به پرنده وارد می شود با افزایش سرعت موتور و حرکت رو به جلو خنثی شده و بر آن غلبه می کند.

نیروی تراست (Thrust) : نیروی تراست در هلیکوپتر ها نیز توسط ملخ تولید می شود. در صورتی که ملخ هلیکوپتر بدون زاویه و رو به بالا پرواز عمودی داشته باشد آن را لیفت می نامند و در صورتی که زاویه ملخ رو به جلو، عقب و یا طرفین تغییر کند مسیر حرکت هلیکوپتر به همان سمت تغییر می کند. برآیند نیروی لیفت و تراست تعیین کننده مسیر پرواز یک هلیکوپتر می باشد.

نیروی تراست ملخ دم :علاوه بر نیروی های بیان شده نیرویی دیگر نیز به بدنه هلیکوپتر وارد می شود که نیروی عکس العمل ناشی از چرخش ملخ هلیکوپتر بوده که در جهت عکس آن به بدنه هلیکوپتر وارد می شود. برای جبران این نیروی عکس العمل از ملخ روی دم استفاده می شود. با چرخش ملخ دم یک نیروی تراست در جهت مخالف این نیروی عکس العمل وارد شده و آن را خنثی می نماید. در صورتی ملخ روی دم هلیکوپتر وجود نداشته باشد هلیکوپتر در حین پرواز به دور خود می چرخد و امکان کنترل آن وجود ندارد.

نحوه پرواز در یک هلیکوپتر

پرواز عمودی (Collective pitch control) : در این حالت هلیکوپتر به بالا وپایین خواهد رفت و از این روش برای تغییر ارتفاع هلیکوپتر استفاده می گردد. همانطور که می دانید برای افزایش ارتفاع هلیکوپتر باید نیروی لیفت بیشتر از نیروی وزن هلیکوپتر شود. بدین منظور با بالا و پایین رفتن قطعه ای به نام Swashplate زاویه یا همان گام ملخ ها به صورت همزمان تغییر نموده و نیروی لیفت افزایش و یا کاهش می یابد و در این حالت ارتفاع هلیکوپتر تغییر می کند.

پرواز به جلو و عقب و طرفین (Cyclic pitch control) : در این حالت با تغییر زاویه قطعه Swashplate هر پره از ملخ به صورت جداگانه تحت زاویه حمله خاصی قرار گرفته که باعث می شود در یکطرف ملخ هلیکوپتر زاویه حمله مثبت و در طرف دیگر زاویه حمله منفی ایجاد گردد. و در نتیجه نیروی Lift تیغه ها به دو مولفه تجزیه میشود که مولفه افقی آن همان Thrust تیغه است که موجب حرکت هلیکوپترها به آنطرف میگردد.

چرخش هلیکوپتر (Directional Control) : در این حالت هلیکوپتر قادر خواهد بود حول محور عمودی دوران نماید. از این حرکت برای دور زدن هلیکوپتر استفاده می شود. همانطور که قبلا توضیح دادیم علاوه بر نیروی های بیان شده نیرویی دیگر نیز به بدنه هلیکوپتر وارد می شود که نیروی عکس العمل ناشی از چرخش ملخ هلیکوپتر بوده که در جهت عکس آن به بدنه هلیکوپتر وارد می شود. برای جبران این نیروی عکس العمل از ملخ روی دم استفاده می شود. با چرخش ملخ دم یک نیروی تراست در جهت مخالف این نیروی عکس العمل وارد شده و آن را خنثی می نماید. در صورتی ملخ روی دم هلیکوپتر وجود نداشته باشد هلیکوپتر در حین پرواز به دور خود می چرخد و امکان کنترل آن وجود ندارد. با تغییر زاویه گام ملخ دم میتوان نیروی تراست آن را کاهش و یا افزایش داده و از این طریق هلیکوپتر را حول محور عمودی گرداند.