Perché un elicottero non può volare più velocemente di quanto non faccia ?

Nei paragrafi seguenti, le ragioni di ciò saranno discusse in dettaglio. Per facilità di spiegazione, tutte le descrizioni saranno basate su un semplice sistema a rotore a due pale, che ruota in senso antiorario se visto dall’alto. Ciò rende la lama avanzante sul lato destro dell’aereo che oscilla verso la parte anteriore dell’elicottero.
Le spiegazioni saranno deliberatamente mantenute abbastanza basilari., Per i più avanzati là fuori, si prega di non inviare e-mail dicendo che c’è di più ad esso di quanto è stato dichiarato. Tuttavia, commenta se consideri che una qualsiasi delle spiegazioni è fondamentalmente sbagliata.
Ci sono una serie di fattori che governano la velocità massima di un elicottero :
Trascinare In aerodinamica, la resistenza è la forza opposta spinta. Drag è presente negli elicotteri in due tipi principali:
a. Parasite drag Parasite drag è la forza di trascinamento creata dai componenti che sporgono nel flusso d’aria intorno all’elicottero., Poiché questa resistenza si oppone alla spinta, riduce la quantità di spinta disponibile per far volare l’elicottero più velocemente. Parasite drag include il carrello di atterraggio, antenne, cappucci, porte, ecc. La forma della fusoliera produrrà anche resistenza parassita. Sugli elicotteri successivi in cui il produttore ha tentato di aumentare la velocità dell’elicottero, il carrello di atterraggio è retrattile per ridurre la quantità di resistenza parassita prodotta., Generalmente, per una data struttura, la quantità di resistenza del parassita è proporzionale alla velocità che la struttura sta passando attraverso l’aria e quindi la resistenza del parassita è un fattore limitante alla velocità dell’aria.
b.Profilo dragProfile drag è la resistenza prodotta dall’azione delle pale del rotore che vengono forzate nel flusso d’aria in arrivo. Se una lama del rotore è stata tagliata a metà dalla parte anteriore della lama (bordo d’attacco) alla parte posteriore della lama (bordo di uscita), la forma risultante quando si guarda la sezione trasversale è considerata il “profilo”della lama., Per una lama del rotore per produrre ascensore, deve avere una quantità di spessore dalla pelle superiore alla pelle inferiore, che è chiamato il “camber” della lama. In termini generali maggiore è il camber, maggiore è la resistenza del profilo. Questo perché il flusso d’aria in arrivo deve separarsi ulteriormente per passare sopra le superfici della lama del rotore. Il profilo della lama per un dato elicottero è stato progettato come compromesso fra produrre l’ascensore sufficiente affinchè l’elicottero compia tutti i suoi ruoli e minimizzando la resistenza di profilo., Per modificare la quantità di portanza prodotta dal sistema del rotore, l’angolo di attacco deve essere modificato. Man mano che l’angolo di attacco viene aumentato, aumenta anche la resistenza del profilo. Questo è generalmente indicato come” resistenza indotta”, in quanto la resistenza viene indotta aumentando l’angolo di attacco.
Avete mai infilato la mano fuori dalla finestra durante il viaggio in auto? Se è così, hai notato che se hai tenuto la mano piatta con il pollice che conduce allora si potrebbe tenere la mano in quella posizione abbastanza facilmente con qualche sforzo. Cosa succede se giri la mano in modo che il palmo sia rivolto verso il vento?, Non è così facile ora per tenervi mano ancora e richiede molto maggiore sforzo per tenerlo lì. Questo può essere correlato al trascinamento del profilo e al trascinamento indotto.
Stallo della lama in ritirata Per comprendere lo stallo della lama in ritirata è prima necessario comprendere una condizione nota come”Dissimetria di sollevamento”. Si consideri un elicottero in bilico in aria ferma e a zero velocità di terra. Il pilota sta mantenendo un angolo costante del passo della lama con la leva collettiva di controllo del passo e l’aereo è ad un’altezza costante dalla terra., La velocità del flusso d’aria sulla lama che avanza e la lama che si ritira è uguale.
Se la punta della lama che avanza viaggia a 300 mph, anche la punta della lama che si ritira deve viaggiare a 300 mph. La velocità del flusso d’aria sulla lama viene progressivamente ridotta mentre guardiamo più vicino verso l’estremità della radice della lama (verso il mozzo del rotore) mentre la distanza che il punto osservato deve percorrere attorno al cerchio viene ridotta.,
In questa condizione la quantità di sollevamento generata da ciascuna lama è la stessa perché la quantità di sollevamento prodotta è una funzione della velocità e dell’angolo di attacco. Tuttavia, se l’elicottero ha iniziato a muoversi in avanti, la velocità del flusso d’aria sulla lama che avanza sarebbe aumentata della quantità della velocità in avanti mentre la lama si muove nella direzione opposta al volo.,sfilacciare avanti a 100 mph, quindi il flusso d’aria all’avanzamento della punta della lama potrebbe essere:

Velocità indotta dalle pale di tornitura:	300mph
Più la velocità di volo in avanti:	100 mph
Totale effettiva velocità di punta:	400mph

in ritirata lama, la velocità è ridotta dell’importo di velocità di avanzamento e la lama è in viaggio nella stessa direzione del flusso d’aria creato da volo in avanti., Quindi la punta ora viaggia efficacemente a 200 mph, o metà della velocità della lama che avanza. Dalla Formula per Ascensore, è noto che la quantità di ascensore prodotta varia come il quadrato della velocità. Dall’esempio sopra questo significa che la lama che avanza produrrà quattro volte più sollevamento rispetto alla lama in ritirata. Se questa situazione non è stata corretta, l’elicottero non poteva volare in avanti in linea retta quando è stato tentato il volo in avanti. (Sarebbe in realtà pitch nose-up, ma questa è un’altra storia!,)
Per correggere questo il sistema rotore è permesso di “flap” per cui una punta della lama può salire sopra l’altro con riferimento al piano di rotazione del rotore. L’effetto che questo ha è di ridurre l’ascensore sulla lama avanzante ed aumentare l’ascensore sulla lama ritirante. Il sollevamento su entrambe le lame viene quindi equalizzato.
Ora che abbiamo capito “Dissimetria di sollevamento”, possiamo guardare ritirata stallo lama.Ricorderete che la lama in ritirata ha una velocità del flusso d’aria inferiore rispetto alla lama che avanza in volo in avanti., Se dovessimo accelerare il nostro elicottero dall’esempio precedente a 300 mph, la lama in avanzamento avrebbe una velocità del flusso d’aria di 600 mph e la lama in ritirata sarebbe zero. Per la lama per produrre ascensore deve avere un certo flusso d’aria su di esso, quindi in questo caso la lama sarebbe “stallo”. La stalla è una circostanza dove c’è una ripartizione del flusso d’aria laminare regolare sopra le superfici di un profilo alare (lama del rotore).
Con ogni lama che entra in una condizione di stallo mentre passava lungo il lato sinistro dell’elicottero, il volo in avanti non poteva essere mantenuto a questa velocità., Prima che la lama si bloccasse, produrrebbe una serie di vibrazioni dure note come “buffeting”. Quando un costruttore produce un nuovo elicottero, la velocità alla quale si verificherà questo buffeting viene stabilita durante le prove di volo e successivamente viene pubblicata una cifra inferiore che è comunemente nota come VNE o Velocity – Never Exceed .Ciò stabilisce un margine di sicurezza al di sotto della velocità in cui può verificarsi lo stallo della lama in ritirata.

Inversione del flusso d’aria Inversione del flusso d’aria normalmente si verifica prima di ritirarsi lama stallo., Ricorderete che la velocità del flusso d’aria viene progressivamente ridotta lungo una lama dall’essere più alta alla punta, al più basso all’estremità della radice.
Se la velocità è 300 mph alla punta, è fattibile per la velocità di essere a partire da 100 mph alla radice. Pertanto, quando velocità in avanti a partire da 100 mph (ca. 87 Kts) si incontrano, l’estremità della radice della lama viene effettivamente bloccata. Quando si tentano velocità più elevate, il flusso d’aria attraverso l’estremità radice della lama può effettivamente invertire e viaggiare dal bordo di uscita al bordo d’attacco., Questo perché la velocità del flusso d’aria prodotta dalla velocità in avanti è maggiore di quella prodotta dalla rotazione delle pale del rotore. L’inversione del flusso d’aria è controproducente per produrre spinta di sollevamento e rotore.
Per ridurre gli effetti delle variazioni di sollevamento dalla radice alla punta di una lama, il produttore torcerà la lama lungo la sua lunghezza o applicherà una conicità alla lama.Twist è la riduzione dell’angolo di attacco dalla radice alla punta. Ricordate che il sollevamento aumenta con la velocità e l’angolo di attacco?, Poiché la punta viaggia più velocemente della radice, l’angolo di attacco deve essere ridotto verso la punta per mantenere la stessa quantità di sollevamento alla punta e alle estremità della radice. La conicità è la riduzione graduale della larghezza di una lama dal bordo d’attacco al bordo di uscita. Una linea retta tracciata dal centro del bordo d’attacco al centro del bordo di uscita è chiamata “Linea di corda”. Riducendo la linea di corda dalla radice alla punta, meno superficie è disponibile per il flusso d’aria di agire per produrre ascensore.,
Su elicotteri ad alta velocità (Westland Lynx), l’estremità della radice della lama è solo un longherone della lama e un’area di attacco. La forma del profilo non si avvia fino a diversi piedi dal centro del sistema del rotore. Questo viene fatto per ridurre gli effetti dell’inversione del flusso d’aria posizionando la superficie di produzione dell’ascensore più lontano dove la velocità di rotazione è più alta.
Compressibilità dell’aria L’aria è un gas e quindi è conforme alle proprietà di un gas, vale a dire la capacità di essere compresso., Quando si studia l’aerodinamica, tuttavia, l’aria deve anche essere considerata avere alcune delle proprietà di un fluido. Un fluido ha molto meno comprimibilità di un gas.

Quando il flusso d’aria sopra una lama del rotore colpisce il bordo d’attacco, è diviso in due flussi, che poi passano sopra e sotto la lama. A velocità inferiori, questa azione di scissione si verifica relativamente facilmente e richiede poca energia. All’aumentare della velocità, l’aria che colpisce il bordo d’attacco tende ad essere compressa prima di separarsi in due flussi. Pensate a questo come schiaffi la mano su una superficie d ” acqua., Se tagli la mano nell’acqua, come un chop di karate, puoi separare l’acqua abbastanza facilmente. Se si schiaffeggia la mano aperta sull’acqua, tuttavia, ci vuole molta più forza per immergere la mano. Il flusso d’aria sul bordo d’attacco è molto simile. Poiché l’aria sul bordo d’attacco viene progressivamente compressa, richiede una maggiore spinta del rotore affinché la lama separi il flusso d’aria in due flussi.
I progettisti di elicotteri con stick di controllo ciclico cercano sempre di inserire più attrezzature nella cabina di pilotaggio di un elicottero per soddisfare le richieste del mercato., Allo stesso tempo, stanno cercando di ridurre al minimo il peso dell’aeromobile in modo che possa trasportare e sollevare di più. Durante la progettazione delle workstation pilota e copiloti i progettisti tentano di posizionare i comandi in una posizione in cui l’equipaggio può facilmente e comodamente operare tutti i comandi senza raggiungere o allungare eccessivamente. Questo pone limitazioni sulla quantità di movimento disponibile presso il bastone di controllo ciclico.,
I progettisti potevano organizzare in modo fattibile i controlli in modo tale che fossero necessarie quantità molto piccole di movimento del bastone per il volo normale, ma questo renderebbe il controllo nell’hover molto difficile in quanto i controlli sarebbero super sensibili ai piccoli ingressi. Per questo motivo, i controlli sono disposti in modo che sia disponibile un movimento di controllo ragionevole, generalmente 6-8 pollici di movimento del bastone a seconda del particolare modello di aeromobile.
Potenza motore disponibile Il sistema motore in un elicottero è necessario per fornire energia per una gamma di esigenze, non solo il sistema del rotore., Nel sistema del rotore, la spinta è necessaria per superare la resistenza. Come la velocità è aumentata, così fa trascinare. Se è disponibile più potenza per superare la resistenza, potenzialmente l’elicottero può volare più velocemente.
Sommario Si può vedere che da questi fattori che è molto difficile per i progettisti di elicotteri per aumentare la velocità massima di un elicottero come molti fattori sono al di fuori del loro controllo. Molta ricerca e sviluppo si è verificato in settori quali la riduzione della resistenza, migliori disegni pale del rotore e aumentando la potenza del motore disponibile.