Pedig a helikopter bonyolultabb, drágább, és olyan dolgokra képes, amikre a repülő egyáltalán nem: egy helyben lebeg, leszáll egy udvarnyi területre, vagy terhet emel kötéllel. Jogosan merül fel a kérdés: ha ennyire jó gép, miért nem csinálják meg „olyan gyorsra, mint egy repülőt”?
A válasz abban rejlik, hogy repülés közben a helikopternél folyamatos küzdelem zajlik ugyanazon a rotoron belül, a két fele között. Minél gyorsabban repül előre, annál hevesebb ez a küzdelem, ami egy ponton kemény fizikai korlátba ütközik.
A bal oldali és a jobb oldali lapát külön világban él.
A helikopter előre repül, miközben a főrotor forog. Ez azt jelenti, hogy a forgási kör egyik felén a lapát abba az irányba mozog, amerre a helikopter halad, a másik felén pedig szembe megy a légáramlattal.
Azt a lapátot, ami a levegőhöz képest „előre halad”, előrehaladó lapátnak hívjuk. Ennek a levegőhöz viszonyított sebessége összeadódik: a forgási sebességhez hozzáadódik a repülési sebesség.
Azt pedig, amelyik hátrafelé mozog, hátrahaladó lapátnak nevezzük. Ennek a levegőhöz viszonyított sebessége csökken: a forgási sebességből le kell vonni a repülési sebességet.
Ha nagyon leegyszerűsítjük a képet, furcsa helyzetet kapunk: a rotorkorong egyik oldalán a légcsavar mintha hurrikánban pörögne, a másik oldalán pedig szinte szélcsendben. És minél gyorsabban repülünk előre, annál nagyobb lesz ez a különbség.
Hogyan tartja fenn a helikopter az egyenletes felhajtóerőt?
Ha a rotor nem tudná kompenzálni ezt a különbséget, a helikopter oldalra dőlne és irányíthatatlanná válna. Ezért a szerkezetben olyan mechanika és automatika dolgozik, ami „kiegyenlíti” az emelőerőt: a lapátok körkörösen képesek változtatni az állásszögüket, illetve kicsit emelkedni és süllyedni. Ez lehetővé teszi a felhajtóerő olyan elosztását, hogy a gép stabilan repüljön.
Ám ez a kompenzáció csak addig működik, amíg van aerodinamikai tartalék. Nagy sebességnél viszont ez a tartalék egyre fogy.
A sebesség legfőbb gátja: áramlásleválás a hátrahaladó lapáton.
Nagy sebességnél a hátrahaladó lapát kerül a legkellemetlenebb helyzetbe. A levegőhöz viszonyított sebessége lecsökken, de felhajtóerőt továbbra is termelnie kell, különben a helikopter egyik fele elkezdene „zuhanni” (vagy átesni).
Alacsony légsebesség mellett az egyetlen módja a felhajtóerő „kisajtolásának” az állásszög növelése. De minden szárnyprofilnak van egy határa: ha az állásszög túl nagy, a légáramlás leválik róla. Ezt hívják áramlásleválásnak vagy átesésnek (stall).
Helikopternél ez nem a fix szárnyon történik, hanem a rotor egy részén – általában a hátrahaladó lapát végéhez közel. Ilyenkor a felhajtóerő hirtelen lecsökken, a légellenállás és a vibráció pedig megnő. A pilóta rázkódást érez, romlik az irányíthatóság, a gép pedig hajlamos felkapni az orrát vagy oldalra dőllni.
És ami a legfontosabb: ez nem csak „kellemetlen”. A hátrahaladó lapáton történő áramlásleválás az egyik fő oka a Vne (Velocity Never Exceed) létezésének, vagyis annak a sebességnek, amit tilos túllépni. Ez nem csak egy ajánlás, hanem egy kemény biztonsági korlát.
A második fék: az előrehaladó lapát „levegőfalba” ütközik.
Logikusnak tűnhet a gondolat: ha a hátrahaladó lapátnak kevés a sebessége, forgassuk gyorsabban a rotort! De ekkor a korong másik oldala – az előrehaladó lapát – hamarabb ütközik egy másik korlátba.
A lapátok végén a kerületi sebesség a forgás miatt amúgy is nagyon nagy. Ha ehhez még hozzáadjuk a repülési sebességet, az előrehaladó oldalon a lapát vége megközelítheti a hangsebességet. Ilyenkor fellépnek az összenyomhatósági hatások: megnő a légellenállás, lökéshullámok keletkeznek, erősödik a zaj és a rázkódás, a lapát terhelése pedig ugrásszerűen megnő.
Vagyis a helikopter egyszerre két probléma közé szorul: — jobb oldalon (képletesen szólva) a hátrahaladó lapátnál fennáll az átesés veszélye; — bal oldalon az előrehaladó lapát a hangsebesség közeli tartomány légellenállásába „ütközhet”.
Ha növeljük a fordulatot, rontunk a helyzeten az előrehaladó oldalon. Ha csökkentjük, akkor a hátrahaladó oldalon lesz baj. Ezért minden gépnek megvan a maga működési tartománya: fordulatszám, tömeg, magasság és sebesség tekintetében.
Van még egy kellemetlen hatás: a visszaáramlás a lapát tövénél.
Nagyon nagy sebességnél a hátrahaladó oldal egy része találkozhat egy olyan jelenséggel, ami furcsán hangzik, de egyszerű a magyarázata: a rotoragyhoz közelebb kisebb a forgási sebesség, így gyors előrehaladáskor kialakulhat egy zóna, ahol a levegő „nem úgy éri a lapátot, ahogy kellene”, sőt, akár ellentétes irányból is fújhat.
Ez növeli az instabilitást és nehezíti az irányítást: a rotor sugárirányban egyenetlenül kezd dolgozni, és a pilótának már nemcsak a bal-jobb aszimmetriával, hanem a rotorkorong felületén kialakuló „holt terekkel” is küzdenie kell.
Miért nem tud a helikopter sebességben egyszerűen „repülővé válni”?
A repülőgépeknél a felhajtóerőt a szárny hozza létre, amelyet teljes szélességében egyenletes légáramlat ér. Persze ott is vannak korlátok, de azok más jellegűek, és nem abból fakadnak, hogy a szárny fele épp az ellenkező irányba repül.
A helikopternél viszont a főrotor egyszerre tölti be a szárny, az emelőmotor és az irányítás szerepét. Egyszerre kell neki:
- — a levegőben tartania a gépet;
- — kompenzálnia a sebességkülönbségeket a rotorkorongon;
- — elviselnie a lapátokra nehezedő hatalmas terhelést;
- — elkerülnie az átesés és az összenyomhatóság veszélyes tartományait.
A gyakorlatban ez annyit tesz: a helikopter lehet gyorsabb, de nem a végtelenségig. És minden plusz tíz kilométer/óra sebességnövekedés egyre bonyolultabb műszaki megoldásokat követel.
Hogyan kerülik meg a mérnökök a határokat, ha mégis kell a sebesség?
Ha a szokásosnál gyorsabb helikopterre van szükség, gyakran nem azt az utat választják, hogy „pörgessük még jobban a rotort”, hanem inkább szétosztják a feladatokat.
Az egyik megközelítés szerint szárnyakat szerelnek a gépre, hogy nagy sebességnél tehermentesítsék a rotort, így a felhajtóerő egy részét a repülőgépekhez hasonlóan termelik meg. Ezzel a rotor kevésbé szenved a hátrahaladó oldalon. A másik módszer egy külön tolólégcsavar vagy sugárhajtómű beépítése, hogy az előrehaladást egy külön rendszer biztosítsa, a főrotor pedig inkább csak a gép levegőben tartásáért feleljen.
A harmadik út a speciális rotor-elrendezések alkalmazása, például a koaxiális (egymás fölötti) rotorok, amelyek máshogy osztják el a terhelést, és nagy sebességnél is tovább megőrzik az irányíthatóságot.
Ezek a megoldások mind bonyolultabbak és drágábbak, de a lényeg ugyanaz: mentesíteni az egy szem rotort attól a tehertől, hogy egyszerre kelljen minden funkciót ellátnia.
Miért nem hátrány a sebességkorlátozás, hanem ár az egyedi képességekért?
A helikoptert nem versenyzésre találták ki. A feladata a precizitás, a lebegés, a szűk helyeken való manőverezés és a leszállás olyan helyeken is, ahol egy repülőgépnek esélye sem lenne. Ennek az árát az aerodinamikában fizeti meg: ahogy nő az előrehaladási sebesség, a rotor két ellentétes erő konfliktusába kerül.
Tehát a helikopterek nem azért nem repülnek olyan gyorsan, mint a repülőgépek, mert a mérnökök „nem tudták felgyorsítani” őket. Hanem azért, mert alapvetően más elven működnek.
