هلیکوپترها وسایل پرنده‌ای هستند که به دلیل عمودپرواز بودنشان بسیار موردتوجه‌اند. این پرنده‌ها توانایی نشست‌وبرخاست در هرجایی را دارند و برای سفرهای کوتاه بسیار مناسب هستند؛ اما مسئله‌ی اساسی که توسعه‌ی هلیکوپتر را با مشکل مواجه کرده است، مسئله‌ی پرواز و کنترل آن است. به‌طورمعمول همه‌ی هلیکوپترها از پروانه‌ی اصلی که آن را ملخ نیز می‌نامند، یک پروانه که در دم قرار دارد و بدنه‌ای که شامل موتور، ادوات هدایت و ناوبری و کابین سرنشینان است، تشکیل می‌شوند.
برای بررسی عوامل تأثیرگذار در پرواز و کنترل این پرنده‌ها لازم است ابتدا با نیروهای آیرودینامیک وارد بر آن‌ها و سامانه‌های کنترلی تعبیه‌شده در آن‌ها آشنا شویم.
آیرودینامیک شاخه‌ای از دینامیک گازها و در حالت کلی‌تر، دینامیک سیالات است که به بررسی رفتار جریان هوا و اثر آن بر اجسام متحرک می‌پردازد. دانش آیرودینامیک در زمینه‌های بسیاری نظیر پرواز هواپیما، طراحی بدنه خودرو و سایر وسایل کاربرد دارد.
نیروهای وارد بر هلیکوپتر
در پرواز وسایل پرنده همواره 4 نیروی آیرودینامیک وجود دارد؛ این نیروها که شامل نیروی تراست (Thrust)، درگ (Drag)، لیفت (Lift) و وزن (Weight) هستند، در کنار تقابلشان با همدیگر، حالت‌های مختلف پروازی را برای اجسام پرنده به وجود می‌آورند. لازمه‌ی تحلیل پرواز هر پرنده‌ای، درک چرایی و چگونگی این نیروها و نحوه کنترل آن‌ها است. این نیروها به شرح زیر است:
نیروی لیفت
با عبور جریان هوا از روی سطح جسم (ایرفویل) و تغییر مسیر آن، هوای سطح بالایی جسم با سرعت بیشتری نسبت به سطح پایین آن حرکت می‌کند. این تفاوت سرعت باعث اختلاف فشار هوای روی این دو سطح می‌شود که درنتیجه آن، نیرویی رو به بالا به وجود می‌آید که آن را لیفت می‌نامند. مقدار نیروی لیفت ایجادشده توسط ایرفویل به عواملی نظیر سرعت سیال، چگالی هوا، مساحت سطح ایرفویل و زاویه بین مسیر جریان و ایرفویل بستگی دارد.
ایرفویل: اگر بال هواپیمایی را به‌صورت عمودی برش بزنیم با سطح مقطعی مواجه می‌شویم که آن را ایرفویل می‌نامند. ایرفویل‌ها از شکل‌های مختلفی تشکیل‌شده‌اند اما ویژگی تمام آن‌ها تفاوت سطح بالایی و پایین آن‌ها است. همان‌طور که گفته شد، بنا به قوانین فیزیک سیالات، رابطه‌ای معکوس بین سرعت سیال و فشار آن وجود دارد. به هر میزان که سرعت سیال افزایش می‌یابد، فشار کاهش می‌یابد و بالعکس. در ادامه ایرفویل‌های مختلف را مشاهده می‌کنید.
از ایرفویل‌ها علاوه بر تولید لیفت در مواردی چون پایداری پرنده و کنترل آن و تولید نیروی تراست نیز استفاده می‌شود. قسمت‌های مختلف هلیکوپترها نظیر ملخ اصلی و ملخ دم، به‌صورت ایرفویل ساخته می‌شوند.
نیروی وزن
نیروی وزن درواقع شامل وزن تمام ادوات هلیکوپتر، سوخت، سرنشینان و محموله‌ی آن است. این نیرو به دلیل نیروی جاذبه به وجود می‌آید و در راستای پایین به پرنده اعمال می‌شود. بر اساس قانون اول نیوتن، در صورتی که برآیند نیروهای وارد بر یک جسم صفر باشد، اگر جسم در حالت سکون باشد تا ابد ساکن می‌ماند و اگر جسم در حال حرکت (با سرعت ثابت) باشد نیز تا ابد با همان سرعت و در همان جهت به حرکتش ادامه می‌دهد. در طول پرواز وسیله‌ی پرنده، این نیروی لیفت است که وظیفه‌ی غلبه بر نیروی وزن را بر عهده دارد. تعادل میان این 2 نیرو یا افزایش یا کاهش نیروی لیفت باعث پرواز عمودی وسیله پرنده و یا معلق ماندن آن در هوا می‌شود.
نیروی تراست
در هلیکوپترها، تراست همانند لیفت از طریق چرخش ملخ اصلی تولید می‌شود. این نیرو می‌تواند در جهت‌های جلو، عقب، طرفین یا به سمت بالا تولید شود. برآیند نیروهای تراست و لیفت تعیین‌کننده مسیر حرکت هلیکوپتر است.
ملخ دم نیز نیروی تراست ایجاد می‌کند. این نیروی تراست با توجه به مقدار نیروی لازم برای غلبه بر چرخش هلیکوپتر، متفاوت خواهد بود و وظیفه‌ی آن، کنترل چرخش هلیکوپتر به طرفین است.
نیروی درگ
هر جسمی که در هوا حرکت می‌کند، نیرویی در خلاف جهت حرکتش به آن اعمال می‌شود؛ این نیرو را درگ می‌نامند. نیروی درگ به‌وسیله‌ی چرخش ملخ اصلی هلیکوپتر که توان خود را از موتور می‌گیرد، خنثی می‌شود. نیروی درگ همواره در جهت موازی با مسیر حرکت جریان قرار دارد.
انواع پرواز هلیکوپتر
پرواز معلق در هوا
چرخش ملخ اصلی هلیکوپتر باعث ایجاد جریان هوایی پرسرعت و رو به پایین می‌شود، لذا هلیکوپتر و سطوح کنترلی آن در حین پرواز همواره تحت تأثیر این تندبادها قرار دارند. درنتیجه یکی از چالش‌برانگیزترین بخش‌های پرواز هلیکوپتر، معلق ماندن آن در هوا است. برای معلق ماندن هلیکوپتر، خلبان باید به‌وسیله‌ی سطوح کنترلی که در اختیار دارد، نیروی لازم برای ثابت ماندن در محل موردنظر را تأمین کند. ورودی‌های کنترل پرواز هلیکوپتر که در اختیار خلبان هستند، عبارت‌اند از:
دسته کنترل (Cyclic stick) که وظیفه کنترل حرکت هلیکوپتر در جهت جلو، عقب، چپ و راست را بر عهده دارد.
دسته‌گاز (Throttle) که سرعت چرخش ملخ‌های هلیکوپتر را تعیین می‌کند.
کالکتیو (Collective) که در سمت چپ خلبان قرار دارد وظیفه تغییر زاویه حرکت ملخ اصلی هلیکوپتر را بر عهده دارد و باعث حفظ ارتفاع آن می‌شود. ملخ‌های هلیکوپتر، از طریق یک سازوکار مهندسی به قسمتی به نام روتور هد (Rotor head) متصل هستند که با تغییر کالکتیو، این روتور هد تغییر زاویه می‌دهد و در نتیجه آن، زاویه ملخ اصلی هلیکوپتر نیز تغییر می‌کند.
پدال‌ها (Pedals) نیز برای کنترل جهت حرکت دماغه هلیکوپتر تعبیه‌شده‌اند. این پدال‌ها باعث تغییر زاویه حرکت پره‌های دم هلیکوپتر می‌شوند که درنتیجه آن تراست افقی دم، کاهش یا افزایش می‌یابد و دماغه هلیکوپتر در جهت عقربه‌های ساعت یا برعکس تغییر مسیر می‌دهد.
برای معلق ماندن هلیکوپتر در هوا خلبان باید با استفاده از این ابزارها به‌صورت پیوسته وسیله پرنده را کنترل کند. تغییر در هرکدام از این ابزارها باعث تغییر در سایر سطوح کنترلی می‌شود؛ لذا روند کنترل هلیکوپتر نیازمند تغییرات هم‌زمان و به مقدار لازم در تمام سطوح کنترلی است.
در طی پرواز معلق در هوا، هلیکوپتر باید در موقعیتی ثابت - معمولاً چند متر بالاتر از سطح زمین - پرواز کند. این قابلیت نیازمند برقرار کردن تعادل میان نیروهای وارد بر هلیکوپتر است. در این پرواز، نیروی لیفت وظیفه‌ی غلبه بر نیروی وزن هلیکوپتر و جاذبه را بر عهده دارد. نیروی تراست نیز حرکت هلیکوپتر در راستای افق و شتاب دادن به پرنده را عهده‌دار است.
یکی از نتایج مهم ایجاد تراست در هلیکوپتر، گشتاور است. بنا به قانون سوم نیوتن؛ برای هر عملی، عکس‌العملی برابر با آن و در خلاف جهت آن وجود دارد. هنگامی‌که موتور، ملخ اصلی هلیکوپتر را در جهت خلاف عقربه‌های ساعت به چرخش درمی‌آورد، بدنه هلیکوپتر تمایل دارد که در جهت عقربه‌های ساعت حرکت کند. مقدار گشتاور تولیدشده برای چرخش هلیکوپتر، رابطه‌ی مستقیمی با میزان قدرت موتور برای چرخش ملخ اصلی هلیکوپتر دارد؛ بنابراین با تغییر قدرت موتور، گشتاور وارد بر هلیکوپتر نیز تغییر می‌کند.
برای خنثی کردن این تمایل به چرخش بدنه، ملخ‌هایی در دم هلیکوپتر تعبیه می‌شود که در اغلب هلیکوپترها وجود دارد. خلبان می‌تواند با استفاده از پدال‌ها، مقدار تراست حاصل از این ملخ ها را با توجه به گشتاور تولیدشده به‌وسیله موتور، تغییر دهد. به هر میزان که قدرت خروجی موتور به ملخ‌های اصلی هلیکوپتر افزایش باید، ملخ دم باید تراست بیشتری برای خنثی کردن گشتاور آن تولید کنند.
پرواز عمودی
گفتیم که در پرواز معلق در هوا، نیروی لیفت با وزن هلیکوپتر برابر است. درصورتی‌که مقدار نیروی لیفت پرنده افزایش یابد، هلیکوپتر در راستای عمودی پرواز خواهد کرد. تغییر نیروی لیفت با تغییر زاویه حرکت ملخ اصلی هلیکوپتر و با حفظ سرعت چرخش آن، به دست می‌آید.
پرواز رو به جلو
در پرواز به جلو و با سرعت ثابت، 4 نیروی تراست، درگ، لیفت و وزن باید در تعادل باشند. هنگامی‌که هلیکوپتر به سمت جلو تغییر زاویه می‌دهد، برآیند 2 نیروی تراست و لیفت، به سمت جلو متمایل می‌شود که جهت نیروی لیفت در راستای عمودی و جهت نیروی تراست در راستای افقی قرار دارد.
در پرواز مستقیم و با ارتفاع و سرعت ثابت، نیروی لیفت با وزن و نیروی درگ نیز با تراست برابر است. اگر نیروی لیفت بیشتر از وزن پرنده شود، هلیکوپتر شروع به افزایش ارتفاع می‌کند تا زمانی که این دو نیرو مجدداً برابر شوند. اگر نیروی تراست کمتر از نیروی درگ پرنده شود، سرعت حرکت هلیکوپتر کاهش می‌یابد تا زمانی که این دو نیرو مجدداً برابر شوند. با حرکت هلیکوپتر به سمت جلو، ارتفاع پروازی آن کاهش می‌یابد؛ زیرا با افزایش مقدار تراست در جهت افقی، نیروی لیفت کاهش می‌یابد. (زیرا اندازه برآیند این دونیرو مقدار ثابتی است.)
جابه‌جایی به طرفین
درصورتی‌که هلیکوپتر بخواهد با حفظ وضعیت شناوری خود به طرفین حرکت کند، زاویه ملخ اصلی خود را به طرفین تغییر می‌دهد؛ درنتیجه بردار برآیند نیروهای تراست و لیفت نیز به همان سمت متمایل می‌شود. در این حالت راستای نیروی لیفت همواره به سمت بالا و نیرو وزن همواره به سمت پایین است؛ اما راستای نیروی تراست در جهتی که هلیکوپتر به سمت آن متمایل شده است قرار دارد و نیروی درگ نیز همواره در جهت مخالف حرکت هلیکوپتر است.
این حالت پروازی به دلیل اعمال نیروی درگ به بدنه‌ی هلیکوپتر و نبود پایدارکننده‌ی افقی، باعث ناپایداری در پرواز پرنده می‌شود. افزایش ارتفاع پرواز یکی از راه‌های بهبود عملکرد پروازی و پایداری وسیله پرنده در این وضعیت است. همچنین خلبان در طی انجام چنین مانوری باید به‌صورت مداوم مسیر پرواز را بررسی کند و با استفاده از فرمان‌های کنترلی مناسب، وضعیت پرواز پرنده را در کنترل خود درآورد.
پرواز به عقب
در پرواز به عقب، راستای حرکت پرنده به سمت عقب متمایل می‌شود؛ درنتیجه راستای برآیند نیروهای تراست و لیفت نیز به سمت عقب متمایل می‌شود. در این حالت نیروی درگ به سمت جلو و نیروی لیفت به سمت بالا و نیروی وزن به سمت پایین خواهد بود.
این وضعیت پروازی، خطرات بسیاری به همراه دارد، زیرا در این حالت دم افقی هلیکوپتر به سمت پایین متمایل می‌شود و امکان برخورد آن با سطح زمین یا سایر عوارض طبیعی زمین وجود دارد. خطر بعدی شکل خاص ارابه فرود هلیکوپتر است. در اکثر هلیکوپترها، بخش انتهایی این ارابه‌های فرود دارای انحنا نیست؛ لذا در صورت تماس این ارابه‌ها با موانع خارجی در پرواز به عقب، وضعیت خطرناکی برای پرنده به وجود می‌آید و احتمال برخورد دم به سطح زمین را افزایش می‌دهد. قبل از شروع این پرواز، خلبان باید به وضعیت عوارض طبیعی اطراف پرنده توجه کند. همچنین کاهش سرعت حرکت به سمت عقب و افزایش ارتفاع پروازی می‌تواند منجر به کاهش خطرات احتمالی شود.
انحراف به طرفین
در پرواز به جلو، ملخ اصلی هلیکوپتر که به صفحه‌های دیسک‌مانند متصل است، به سمت جلو متمایل می‌شود و درنتیجه، برآیند نیروهای لیفت و تراست نیز به سمت جلو متمایل می‌شود. هنگامی‌که پرنده به طرفین می‌غلتد (Bank Angle) روتور هد هلیکوپتر نیز به طرفین تغییر زاویه می‌دهد. درنتیجه نیروی لیفت به 2 بردار تجزیه می‌شود. یک بردار که در راستای عمودی است و وظیفه خنثی کردن نیروی وزن و شناوری پرنده را بر عهده دارد و دیگری که در راستای افقی وارد می‌شود و در جهت عکس نیروی گریز از مرکزی است که از طریق چرخش ملخ‌ها به وجود آمده است.
با افزایش زاویه‌ی لغزش پرنده، سهم بیشتری از نیروی لیفت به راستای افقی آن اختصاص پیدا می‌کند که درنتیجه سرعت غلتش پرنده افزایش می‌یابد. با افزایش مقدار نیروی لیفت در راستای افق، مقدار نیروی لازم برای غلبه بر نیروی وزن پرنده کاهش می‌یابد و در نتیجه ارتفاع پروازی نیز کاهش می‌یابد؛ لذا باید تغییراتی در زاویه‌ی حرکت ملخ‌های هلیکوپتر ایجاد شود. به هر میزان که سرعت غلتش پرنده به طرفین افزایش می‌یابد، زاویه حرکت ملخ‌ها نیز برای حفظ ارتفاع پروازی، باید افزایش یابد.
چرخش خودکار ملخ‌ها
چرخش خودکار ملخ‌ها، به وضعیتی گفته می‌شود که چرخش ملخ اصلی هلیکوپتر به دلیل عبور هوا از میان ملخ‌ها انجام می‌شود و موتور در چرخش آن‌ها تأثیر کمتری دارد. در پرواز معمولی، هوا از بالا به داخل ملخ‌های اصلی کشیده می‌شود و به سمت پایین خارج می‌شود؛ اما در وضعیت چرخش خودکار ملخ‌ها، هنگامی‌که هلیکوپتر در حال کاهش ارتفاع است، هوا از پایین به سمت بالای پره‌ها می‌رود.
واحد چرخش هرزگرد در سیستم کلاچ هلیکوپتر، به پرنده این امکان را می‌دهد که درزمانی که موتور کار نمی‌کند، پره‌ها به‌صورت خودکار به چرخش خود ادامه دهند. هنگامی‌که در پرواز موتور پرنده دچار سانحه می‌شود، واحد چرخش هرزگرد به‌صورت خودکار عمل می‌کند و اجازه می‌دهد که پره‌ها به چرخش متناوب خود ادامه دهند. این سیستم این امکان را می‌دهد که هلیکوپتر بتواند در مواقع بحرانی که موتور فعال نیست، به‌صورت ایمن فرود آید. تمام شرکت‌های هلیکوپتر سازی موظف به نصب این سیستم روی پرنده‌های خود هستند.
