Comment un hélicoptère Expliquez que Stuff

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Photo: le plus grand hélicoptère de la US Navy: la CH53-E Sikorsky Super Stallion. Chacun coûte près de 25 millions $! Photo par Joshua Adam Nuzzo avec la permission de l'US Navy.







Comment un hélicoptère reste dans l'air?

La science d'un hélicoptère est exactement la même que la science d'un avion. il fonctionne en générant levage une force ascendante de poussée qui surmonte son poids et il balaie dans l'air. Les avions font ascenseur avec des surfaces portantes (ailes qui ont une section transversale courbe). Comme ils tirent vers l'avant, leurs ailes changent la pression et la direction de l'air venant en sens inverse, forçant derrière eux et de les mettre sous tension dans le ciel: les moteurs d'un avion vitesse vers l'avant, tandis que ses ailes jeter vers le haut. Le gros problème avec un avion est que beaucoup d'air doit courir à travers ses ailes pour générer assez de portance; cela signifie qu'il a besoin de grandes ailes, il doit voler vite, et il a besoin d'une longue piste pour le décollage et l'atterrissage.

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Les hélicoptères font bouger l'air aussi sur des surfaces portantes pour générer un ascenseur, mais au lieu d'avoir leurs surfaces portantes dans une seule aile fixe, ils les ont intégrés dans leurs pales de rotor, qui tournent autour à grande vitesse (environ 500 tours par minute, tours par minute). Les rotors sont comme des ailes minces, « marche » sur place, la génération d'un courant descendant massive d'air qui souffle de l'hélicoptère vers le haut. Avec le pilotage habile, un hélicoptère peut décoller verticalement ou atterrir, vol stationnaire ou rotation sur place, ou la dérive doucement dans toutes les directions et vous ne pouvez pas faire tout cela dans un plan conventionnel.

Les éléments clés d'un hélicoptère

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Bien que certains petits hélicoptères utilisent encore des moteurs à pistons (moteurs à pistons également appelé, similaires à ceux utilisés dans les voitures et les camions), utiliser plus maintenant des turbines à gaz plus comme les moteurs à réaction sur les avions conventionnels. Les moteurs à turbine sont plus lisses en fonctionnement (vibration beaucoup moins), plus puissant, moins mécaniquement complexe et plus fiable. Certains hélicoptères ont un seul moteur monté à l'horizontale, en dessous et juste derrière le rotor; la plupart des petits hélicoptères Bell, par exemple, fonctionnent comme ça. D'autres ont un seul moteur monté de chaque côté du mât de rotor; hélicoptères militaires Seahawk et Apache sont alimentés de cette façon. La plupart des choppers modernes ont des turbomoteurs, qui sont similaires à des moteurs à réaction normale à bord des avions. Cependant, au lieu de presser un jet chaud des gaz d'échappement qui les pousse vers l'avant, ils utilisent l'énergie produite à partir du gaz de combustion pour faire tourner une turbine centrale et l'arbre d'entraînement qui actionne la transmission (le mécanisme qui permet au moteur pour alimenter les rotors). Notre article principal sur les moteurs de jet vous en dit plus sur la façon dont le travail turboréacteur moteurs.

Photo: Moteur d'hélicoptère: Regardez sous le rotor de cet hélicoptère Seahawk. Le long tube gris entre les deux ensembles de nombres ( « 69 ») est un moteur à réaction de turbomoteur. Il y a un deuxième moteur exactement la même chose de l'autre côté. Photo courtoisie Trevor Kohlrus de l'US Navy.

rotor principal

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Les pales du rotor principal d'un hélicoptère sont disponibles en trois types de base qui permettent des quantités croissantes de mouvement comme ils tournent autour: on les appelle rigides, semi-rigide, et entièrement articulés. Comme son nom l'indique, les lames rigides sont fermement fixés sur le moyeu de rotor (la « roue » pour laquelle les lames sont fixées à la partie supérieure du mât rotor en rotation) par une liaison de pivotement appelé une articulation de variation (ou articulation de pas). Cela leur permet de « plume » (pivotant comme ils tournent, qui, comme nous allons le découvrir dans un moment, comment un bouvillons d'hélicoptère). lames semi-rigides ont la même charnière feathering, mais ils ont aussi une (charnière ou battement) charnière vacille qui leur permet de rabat de haut en bas. Entièrement lames articulées peuvent plumes et rabat, et ils ont aussi une troisième charnière (une articulation de traînée) qui leur permet de se déplacer légèrement en avance sur ( « lead ») ou derrière ( « lag ») leur position normale. Chacun de ces types de lames présente des avantages et des inconvénients.

Rotor de queue

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Photo: Le rotor de queue d'un hélicoptère Seahawk. Le rotor de queue est entraîné par un arbre d'entraînement en cours d'exécution en arrière à partir des moteurs principaux, en parallèle au corps de l'hélicoptère. Si vous regardez attentivement, vous verrez que les pales du rotor peuvent être basculés par le pilote comme ils tournent autour, ce qui génère une force plus ou moins poussée et donne l'hélicoptère la possibilité de tourner sur place comme il plane. Photo de courtoisie James R. Evans de l'US Navy.

Mis à part l'addition d'un deuxième grand rotor, un autre moyen de contrer le couple du rotor principal est d'utiliser une petite hélice sur le côté pointant vers un appelé rotor de queue. alimenté par un arbre d'entraînement du moteur qui traverse l'extrémité arrière de l'engin. Parfois, pour des raisons de sécurité, le rotor de queue est construit à l'intérieur de la queue (un dessin appelé un fenestron ou queue de ventilateur). Une autre alternative est appelée NOTAR® ( « pas du rotor de queue »), qui utilise un jet d'air, tiré par un évent sur la queue, pour contrer le couple principal à la place du rotor. Si un hélicoptère a une pale de rotor principal unique, il doit avoir un rotor de queue, fenestron, ou NOTAR ou il ne peut pas voler en toute sécurité; De même, tout dommage causé à la queue rotor comme une collision avec des oiseaux ou un missile a frappé un fait-copter dangereusement incontrôlable et se traduit généralement par le faire tomber assez rapidement par la suite. La plupart des hélicoptères ont une dérive verticale (pylône) qui contribue également à compenser une partie du couple du rotor principal.







Comment un hélicoptère vol stationnaire et orienter?

Les rotors d'un hélicoptère sont des choses ingénieuses qui lui permettent de planer dans l'air ou orienter dans toutes les directions. Le pilote dispose de cinq mouvements de base et les commandes de direction: deux leviers à main appelé le pas collectif et cyclique, un papillon des gaz, et deux pédales. La plupart des manœuvres qu'un pilote exécute impliquent une interaction complexe entre ces différents contrôles, ce qui explique pourquoi voler un hélicoptère nécessite une telle habileté et de concentration.

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Comment ça se fait? Comme nous l'avons déjà vu, le rotor principal est relié au moyeu au sommet du mât par une articulation de chaque pale, qui permet de pivoter pendant qu'il tourne, de sorte qu'il forme un angle plus raide ou moins profondes à l'air venant en sens inverse. Les pales ont de courtes tiges verticales (liens de tangage) attachés à ceux qui sont reliés à un disque métallique rotatif appelé un plateau oscillant. un peu plus bas du mât. Cette plaque glisse sur des roulements nutation autour d'une seconde plaque similaire directement au-dessous qui ne tourne pas. Lorsque le pilote se déplace d'une manière collective, les deux plateaux oscillants se déplacent vers le haut, poussant vers le haut sur les liens de tangage qui inclinent les pales du rotor à un angle plus raide. Déplacement de l'autre de manière collective déplace les plateaux oscillants vers le bas, en tirant sur les liens de tangage et d'inclinaison des lames à un angle moins profond.

Les rotors fournissent également la direction pour un hélicoptère en faisant plus de portance d'un côté que de l'autre. Ils le font par pivotement avant et en arrière (feathering) comme ils tournent, donc, par exemple, ils font un angle plus raide quand ils sont sur le côté gauche de l'engin que quand ils sont à droite. Cela signifie qu'ils génèrent plus de portance sur la gauche, en inclinant le métier vers la droite et l'orienter dans cette direction. Les pilotes bouvillons comme celui-ci au moyen d'un second levier appelé le pas cyclique (également connu sous le nom « bâton cyclique » ou simplement « cyclique »), similaire à une manette de jeu, ce qui rend les lames pivotent comme ils le cycle autour. Le mécanisme à plateau oscillant ingénieux traduit les mouvements du pilote en mouvements appropriés des pales du rotor. Supposons que le pilote veut voler à droite. D'abord, elle déplace le cyclique vers la droite, et un système de leviers connectés rend les deux plateaux oscillants incliner vers la droite aussi bien. Cela rend les pales du rotor inclinaison à un angle raide quand ils sont sur la gauche et un angle peu profond quand ils sont à droite, de sorte que le rotor produit plus de portance sur le côté gauche, diriger le bateau vers la droite.

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Création: Comment la plaque nutation un hélicoptère bouvillons. Au centre, vous pouvez voir une vue simplifiée du mécanisme à plateau oscillant. Il y a deux disques dans la partie supérieure du mât du rotor, une supérieure (rouge) qui tourne sur des roulements à billes (orange) autour d'un niveau inférieur (bleu) qui ne tourne pas du tout. Quatre biellettes de pas (vert) relient le plateau oscillant supérieur aux pales du rotor. Maintenant, supposons que vous voulez voler à droite. Vous incliner le manche cyclique dans cette direction. Cela incline les deux plaques évidées vers la droite. Comme les pales du rotor tournent, les plaques évidées inclinées forcent les liens de hauteur quand ils sont sur la gauche et vers le bas quand ils sont à droite. Cela rend chaque inclinaison de la pale de rotor à un angle plus raide quand il est sur la gauche et un angle plus faible quand il est sur la droite. Cela produit plus de portance à gauche, direction l'hélico vers la droite.

Comment fonctionnent les rotors d'hélicoptère

Tout le monde connaît les rotors d'un hélicoptère tournent (c'est pourquoi ils sont appelés rotors). Mais la chose très intelligent à leur sujet est que les lames peuvent pivoter et venir comme ils se tournent autour et qui nécessite une machine étonnamment complexe.

Il est facile d'imiter un hélicoptère avec vos bras et de la structure cachée de votre corps rend les mouvements semblent faciles. Levez-vous avec vos bras tendus horizontalement. Faites pivoter votre corps lentement sur place. Comme vous tournez autour, pivoter vos bras aux épaules. C'est à peu près ce que l'hélicoptère fait avec ses lames, sauf qu'il le fait 3-4 fois par seconde que les lames sont Snail! Voici les bits principaux qui le font fonctionner:

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  1. Les pales sont en forme de surfaces portantes (ailes d'avion avec un profil courbe) de telle sorte qu'ils génèrent un ascenseur comme ils tournent.
  2. Chaque lame peut pivoter autour d'une articulation de variation pendant qu'il tourne.
  3. Des liens verticaux de pas pousser les lames et vers le bas, les faisant pivoter comme ils tournent. Les liens de hauteur se déplacent vers le haut et vers le bas selon l'angle des plaques évidées.
  4. Le mât de rotor (un axe central relié au moteur par la transmission) effectue une rotation l'ensemble de montage de lame.
  5. Le capuchon de moyeu de rotor (au-dessus des rotors) permet de réduire la traînée aérodynamique.
  6. Il y a deux moteurs à réaction arbre turbo, un de chaque côté des rotors. Si un moteur tombe en panne, il devrait encore y avoir assez de puissance de l'autre moteur atterrir l'hélicoptère en toute sécurité.

Photo: Top: Un ingénieur US Navy vérifie l'ensemble de rotor sur un hélicoptère Seahawk. Photo de Kathaleen A. Knowles avec la permission de l'US Navy avec annotations par Expliquer ce genre de choses. En bas: Un ingénieur répare le mécanisme de rotor étonnamment complexe et complexe d'un Seahawk, vus ici directement au-dessus. Les moteurs sont les deux cônes ouverts de chaque côté. Vous pouvez voir deux des pales de rotor repliées le long du fuselage (et pointant vers le haut dans ce tableau), ce qui signifie que le Seahawk peut être garé sur porte-avions dans l'espace beaucoup moins. Photo de Oliver Cole avec la permission de l'US Navy.

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Comment Sikorsky a conçu le rotor d'hélicoptère moderne

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Remarquez comment le mécanisme similaire est à ce qu'on trouve sur un hélicoptère moderne? Le brevet est extrêmement détaillé et assez complexe (vous pouvez le vérifier par vous-même), donc je l'ai retiré la plupart des étiquettes et des chiffres et surligné quelques caractéristiques clés:

Avantages et inconvénients des hélicoptères

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Choppers ont beaucoup d'avantages par rapport aux avions. Vous n'avez pas besoin d'une piste, pour commencer, ou de grandes ailes, et vous pouvez utiliser des hélicoptères plus facilement des navires. Depuis le centre d'une ville au milieu d'une jungle, vous pouvez décoller ou atterrir un peu partout. Vous pouvez mettre en pause, mi-vol, pour sauver quelqu'un, ramasser une charge, ou déposez-le avec un treuil. Certes, vous ne pouvez pas voler généralement aussi vite ou aussi loin que d'un avion, ou transporter autant de personnes ou plus de marchandises, mais vous avez beaucoup plus de flexibilité dans où vous pouvez aller.

Photo: Alternatives à un hélicoptère # 1: avions vertical / décollage et atterrissage courts (ADAC / V), comme le célèbre Harrier, présentés ici, essayez de combiner la maniabilité d'un hélicoptère à la vitesse d'un avion. Un Harrier peut planer car, contrairement à un moteur à réaction traditionnelle, il a quatre buses supplémentaires sur le côté qui peut pivoter autour de diriger tout droit vers le bas des gaz d'échappement du moteur. Photo de Staci Bitzer avec la permission de l'US Navy.

Malheureusement, cette polyvalence a un prix: des hélicoptères avec des rotors de filage sont mécaniquement plus complexes que les avions statiques avec des ailes, plus sujettes à l'échec, ont besoin de plus d'entretien et sont coûteux à exploiter. Comme vous pouvez piloter un hélicoptère dans toutes sortes de façons, il est effectivement plusieurs différents engin volant tout en un-vous pourriez penser que le pilotage d'un hélicoptère est automatiquement plus difficile que piloter un avion. Mais il n'y a pas de réelle comparaison, parce qu'ils sont deux choses totalement différentes.

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Photos: Alternatives à un hélicoptère # 2: V-22 Osprey de Bell Boeing a des rotors énormes à l'avant qui peut être incliné pour pointer vers le haut (comme un hélicoptère) ou vers l'avant (comme un avion), combinant les avantages des deux dans un seul appareil . Photos (gauche à droite) par Andy M. Kin. Oscar Espinoza. et Zachary L. Borden. toute la courtoisie de l'US Navy.

Une brève histoire des hélicoptères

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