Heli - głowice, tarcze (rodzaje, sposób działania, ustawienia)

[Wiktor]

Każdego któremu zaczął latać brygadzista posyłał w pizdziec. Do wibratora mnie jeszcze nie dopuściły/bo nie wiem jak wrócić z pizdzieca/

[marketleader]

Przyspieszajac Wasze eksperymenty i dyskusje podrzucę Wam książeczkę.

Rotorcraft Flying Handbook napisaną przez FAA.

https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/helicopter_flying_handbook/media/helicopter_flying_handbook.pdf

Znajdziecie tam odpwoeidzi na większość pytań, oprócz tego o sens istnienia, to zna tylko admin.

To konktret. Dziękuję. Rysunek z Handbook'a FAA nie pozostawia wątpliwości:
[...]
Tymczasem Kenobi idzie w zaparte. Podważa wiedzę Sikorskiego, FAA.

Hmmm

Stronę wcześniej w tym dokumencie mamy:
"Coriolis Effect (Law of Conservation of Angular Momentum)
The Coriolis Effect is also referred to as the law of conservation of angular momentum. It states that the value of angular momentum of a rotating body does not change unless an external force is applied."

No jak nic Efekt Coriollisa to jednak coś zupełnie innego niż zasada zachowania momentu pędu.

Rozumiem, że autorzy szukali jakiegoś łatwego, łopatologicznego wytłumaczenia, żeby nawet nie techniczni kandydaci na licencję śmigłowcową mogli to ogarnąć. Z tego powodu jest to dokument z kategorii popularnonaukowych, a takie mylenie pojęć jak dla mnie dyskryminuje ten dokument jako solidna podstawa do naukowych rozważań.

PS 1
Najlepszy eksperyment to posiadać łopaty bez masy. Nie ma wirującej masy, to nie ma precesji. Jeżeli za odchylanie płaszczyzny wirnika odpowiada precesja to taki helikopter nie da się sterować. Ale jeżeli da się sterować znaczy że za odchylanie płaszczyzny wirnika odpowiadają zjawiska aerodynamiczne.
Tylko skąd wziąć takie łopaty

PS 2
To może taki eksperyment. Łopaty osadzone w głowicy "na sztywno" ze stałym skokiem (lekko dodatnim), czyli bez sterowania skoku cyklicznego i bez sterowania skoku ogólnego - takie duże śmigło "samolotowe" zrobione z łopat helikowych. Ale sama głowica połączona z wałem jakimś przegubem kardana, żeby się mogła przechylać i pochylać. I teraz tarcza sterowana tak, że jeżeli oddamy drążek od siebie to tarcza się przechyli w lewo, zadziała na nasze "śmigło" momentem w lewo i wirnik powinien wtedy pochylić się do przodu. Podobno niektóre aparatury mają funkcję typu Virtual Swash Rotate. Tu trzeba by dać 90 stopni (+ lub -).
Jeżeli taka konstrukcja da się w ten sposób sterować i poleci, to będzie znaczyło, że faktycznie precesja ma dominujące znaczenie w sterowaniu.

Kto chętny majsterkowicz żeby wykonać taki model?

[Wiktor]

A z tym panem na c to nie chodziło o ruch gleby i zawirowania w atmosferze?
Edit
Aaa z wiadrem na sznurku.

[Kenobi36]

O kierunek wiru jak się spuszcza wodę w kibelku. Podobno jak w pobliżu są kangury to jest inaczej

[Wiktor]

W wannie jak nie ma dużo Włochów kierunek wiru można zmienić ale to marny PoPis

[Don Mirson]

W Graupnerze (a ja ciągle swoje... ) w tym odbiorniku z FBLem, w opcjach podajemy czy łopaty kręcą się w lewo czy prawo. Czy to może mieć związek z powyższymi tezami, kontrtezami i antytezami?

[Artja]

Zrób Graupnera w wała, ustaw że kręcą się w lewo

[Wiktor]

W Graupnerze (a ja ciągle swoje... ) w tym odbiorniku z FBLem, w opcjach podajemy czy łopaty kręcą się w lewo czy prawo. Czy to może mieć związek z powyższymi tezami, kontrtezami i antytezami?

Tak

[valoos]

Dobra mam kontrargumenty do dysputy z Kenem
1. Precesja żyroskopowa doskonale tłumaczy zadzieranie nosa przy szybkim locie postępowym, "teoria aerodynamiczna" już nie.

2. ...w konsekwencji powyższego precesja żyroskopowa tłumaczy również ograniczenie w postaci maksymalnej prędkości śmigłowca.

3. łopaty rzekomo mają zbyt małą masę, żeby efekt precesji mógł zachodzić - moim zdaniem niezbyt dużą masę łopaty kompensują ogromnym momentem bezwładności. Definiowany jest on w uproszczeniu jako iloczyn masy i kwadratu odległości od osi obrotu (I=m r^2). Czyli jeżeli przyjmiemy sobie przykładowo taką łopatę od protosa:
długość: 470 mm, waga: 80g
to sama tylko 10cio gramowa końcówka łopaty (uproszczenie, że na całej długości masa jest rozmieszczona równomiernie) położona
w odległości 411mm od osi obrotu (znowu uproszczenie - nie liczę szerokości hub'a i długości okucia)
będzie miała moment bezwładności (0.01kg*0.411m^2 = 0.01kg*0.17m2 = 0,0017) porównywalny z odważnikiem (masą)
o wadze: 1kg, obracający się w odległości 4 cm od środka wału (1kg*0,04m^2 = 1kg*0,0016m2 = 0,0016)
Czyli ... jeżeli ktoś będzie się bawił 2 kilogramowym bączkiem o średnicy 8 cm zaobserwuje, że będzie go można wytrącić ze stanu równowagi z podobnym trudem jak wirujące łopaty protosa (stretch oczywiście )

4. Tutaj z pozornie trochę zaprzeczę temu co napisałem w pkt. 3, ale tylko pozornie:
Wzór na okres ruchu precesyjnego (wiki) rozwija się tak:
"Okres zataczania okręgu przez oś obrotu ciała jest wprost proporcjonalny do prędkości kątowej ruchu obrotowego i momentu bezwładności ciała oraz odwrotnie proporcjonalny do momentu siły zaburzającej".
Ponieważ nasz "Okres zataczania okręgu przez oś obrotu" to nic innego jak czas wykonania pełnego fikołka naszego śmiglaka mamy:
- "jest wprost proporcjonalny do ... momentu bezwładności ciała" - dlatego im lżejsze łopaty tym okres obrotu będzie któtszy (helik żwawszy).

- "jest ... odwrotnie proporcjonalny do momentu siły zaburzającej" - im większa siła zaburzająca, (ciśnienie pod łopatą powracającą w w naszym modelowym przypadku) tym szybciej helik wykona fikołka do przodu

- i na deser "jest wprost proporcjonalny do prędkości kątowej ruchu obrotowego" - to mi się wydawało coś nie halo, bo wychodziłoby, że im więcej rpm'ów na głównym rotorze tym wolniej helik zrobi fikołka... ale
im więcej rpm na głównym wale tym większy moment siły zaburzającej (przy tych samych kątach większe ciśnienie pod łopatą) więc wydaje mi się, że przynajmniej w pewnym zakresie te zależności się kompensują.

To ostatnie prowadzi do wniosków, że owszem zwiększenie rpm powoduje, że heli jest bardziej żwawy (pompki, stopy itp.) ale fikołki będzie robił w porównywalnym tempie.
Ktoś może potwierdzić z doświadczenia?

Kurcze przepraszam że tak rozwlekle, ale chciałem jak najczytelniej to wszystko rozpisać.
Jutro rano w bonusie rysunki ...

[Gajos]

... Kto chętny majsterkowicz żeby wykonać taki model?

Już ich tyle w życiu zrobiłem...

[Gajos]

...
1. Precesja żyroskopowa doskonale tłumaczy zadzieranie nosa przy szybkim locie postępowym, "teoria aerodynamiczna" już nie.
2. ...w konsekwencji powyższego precesja żyroskopowa tłumaczy również ograniczenie w postaci maksymalnej prędkości śmigłowca.
...

Ciut się tu w blokach zapędziłeś, wpływu efektu żyro nie trzeba się tu doszukiwać, ale trzeba o nim pamiętać. Ale potem bardzobardzobardzotrafnie zwalniasz... .
Żeby załapać "zadzieranie nosa przy szybkim locie postępowym" oraz "ograniczenie w postaci maksymalnej prędkości śmigłowca" warto sobie przypomnieć plotki:
1) Dlaczego to, sporo uogólniając, im szybciej samolot ma latać, tym przede wszystkim profil poprzeczny jego skrzydła musi być cieńszy i powierzchnia nośna jego skrzydła musi być mniejsza...
A w efekcie, nadal dużo uogólniając, mniejsza siła nośna skrzydła...
2) Zwrócić uwagę na coraz większą, aż wreszcie ogromną, różnicę w "prędkości liniowej chwilowej" łopaty, gdy jest ona po lewej, a gdy jest po prawej, kiedy helikopter już ruszył do przodu.

[Kenobi36]

1. Bardzo dobry argument.
2. Raczej nie, po prostu w locie postępowym, tarcza nie odchylona, brakuje jakiegokolwiek ciągu z jednej strony lub z drugiej przekraczamy prędkość dźwięku.
3. Muszę posiedzieć

[Ramotny]

:2) Zwrócić uwagę na coraz większą, aż wreszcie ogromną, różnicę w "prędkości liniowej chwilowej" łopaty, gdy jest ona po lewej, a gdy jest po prawej, kiedy helikopter już ruszył do przodu.

Różnica prędkości liniowej da oczywiście różnice siły nośnej ale jest to różnica poprzeczna a nie podłużna wiec skąd to zadzieranie nosa?

[Gajos]

:2) Zwrócić uwagę na coraz większą, aż wreszcie ogromną, różnicę w "prędkości liniowej chwilowej" łopaty, gdy jest ona po lewej, a gdy jest po prawej, kiedy helikopter już ruszył do przodu.

Różnica prędkości liniowej da oczywiście różnice siły nośnej ale jest to różnica poprzeczna a nie podłużna wiec skąd to zadzieranie nosa?

... ale trzeba o nim pamiętać. ...

[valoos]

Troche jako uzupełnienie wcześniejszego wywodu oraz zgodnie z zasadą 1 obraz 1000 słów...

Sytuacja stabilna. Grawitacja działa wzdłuż osi obrotu.


Wytrącamy bąka z równowagi i siła grawitacji generuje nam teraz "moment siły zaburzającej" w wyniku czego zaczyna się ruch precesyjny (pomarańcz). To już się pojawia te 90* w stosunku do płaszczyzny tworzonej przez "moment siły zaburzającej" i oś ruchu obrotowego bąka


Idziemy dalej. Pochylimy bąka jeszcze bardziej, a wszystkie poprzednie założenie nie przestają być prawdziwe. Sytuacja staje się nawet bardziej "czysta".


A teraz robimy przeskok myślowy i obracamy kadr o 90* w prawo. Zapomnijmy na chwilę o grawitacji. To już dla nas nie jest klasyczny przykład z bąkiem. Momenty (czerwony) na chwilę zostawmy, żeby się nie stracić orientacji.


Tada. Oto mamy nasz śmigłowiec, który robi fikołka do przodu, kiedy pojawi się "moment siły zaburzającej" na godzinie 3-ciej i 9-tej


Chciałem jeszcze bardziej dopracować, ale już nie mam czasu.
Jeżeli zapomniałem czegoś dorysować, uprzejmie proszę o nie strzelanie ...
...dorobimy później...

[Gajos]

... Momenty (czerwony) na chwilę zostawmy, żeby się nie stracić orientacji. ...

Gdybyś tylko aż tak nie skracał, to trudniej i dłużej byłoby tylko pozornie, naprawdę. Rób jak w prawdziwych szkołach - zawsze trzymaj się sedna i języka przekazu. Na przykład - nie rysuj momentu siły, czy momentu bezwładności/pędu jakąś tam strzałką/łukiem, prawie taką samą, jaką "określasz" kierunek ruchu obrotowego. Tylko, po prostu - narysuj wektor momentu. A dla odróżnienia od wektora na przykład siły, zrób go 2x grubszym. I np. tej zasady, odtąd już zawsze się trzymaj. A jeśli w locie będziesz potrzebował ją zmienić, to zrób jawne i wyraźne "dementi" poprzedniej. Uwierz mi, że znacznie łatwiej będzie Cię wtedy czytać, wykorzystując na oko z 50% swojej podświadomości...
Bądź konsekwentniejszy, a lada dzień wszyscy chętni parskną śmiechem: "jakie to dziecinnie proste!"...

[marketleader]

... Kto chętny majsterkowicz żeby wykonać taki model?

Już ich tyle w życiu zrobiłem...

To pokaż

Dobra mam kontrargumenty do dysputy z Kenem
1. Precesja żyroskopowa doskonale tłumaczy zadzieranie nosa przy szybkim locie postępowym, "teoria aerodynamiczna" już nie.

Jak tłumaczy? Napisz coś więcej.

2. ...w konsekwencji powyższego precesja żyroskopowa tłumaczy również ograniczenie w postaci maksymalnej prędkości śmigłowca.

No tu już Ken wyjaśnił, że jest inaczej.

3. ...będzie miała moment bezwładności (0.01kg*0.411m^2 = 0.01kg*0.17m2 = 0,0017) porównywalny z odważnikiem (masą)
o wadze: 1kg, obracający się w odległości 4 cm od środka wału (1kg*0,04m^2 = 1kg*0,0016m2 = 0,0016)
Czyli ... jeżeli ktoś będzie się bawił 2 kilogramowym bączkiem o średnicy 8 cm zaobserwuje, że będzie go można wytrącić ze stanu równowagi z podobnym trudem jak wirujące łopaty protosa (stretch oczywiście )

2 kilogramowy bączek o średnicy 8 cm ma moment bezwładności I=(mr^2)/2 czyli tutaj (2kg*0.08m^2)/2 = (2kg*0.0064m2)/2 = 0.0064 czyli 4 razy więcej niż Twoja końcówka łopaty lub 1kg w odległości 4 cm. Bądźmy dokładni w obliczeniach.

4. ...Wzór na okres ruchu precesyjnego (wiki) rozwija się tak:
"Okres zataczania okręgu przez oś obrotu ciała jest wprost proporcjonalny do prędkości kątowej ruchu obrotowego i momentu bezwładności ciała oraz odwrotnie proporcjonalny do momentu siły zaburzającej".

Tylko że fikołki nie robią się z powodu precesji.
Jeżeli precesja ma znaczenie dominujące, to ta ewentualnie precesja pochyla płaszczyznę wirnika.
To powoduje pochylenie wektora siły ciągu wirnika.
To powoduje powstanie składowej poziomej tej siły ciągnącej helik do przodu.
Ta siła przyłożona jest do głowicy, która jest ponad środkiem masy helika, czyli mamy siłę i ramię siły, czyli moment.
I ten właśnie moment powoduje wykonanie fikołka.

Masa łopat i precesja od samego wirnika jest za mała, żeby obrócić cały helik. Szczególnie się to dotyczy prawdziwych dużych braci.

PS
Swoją drogą napracowałeś się nad grafikami i wyszły super.

[valoos]

1. Przy znacznych prędkościach w ruchu postępowym do przodu łopata nacierająca (godz. 9) ma większą szybkość względem powietrza niż łopata powracająca (godz. 3) (Prędkość względem powietrza sumuje się z prędkością łopaty nacierającej, a odejmuje się od prędkości łopaty powracającej). Powoduje to powstanie "momentu siły zaburzającej", który zgodnie ze zjawiskiem precesji żyroskopowej powoduje zadarcie nosa heli (przesunięcie o 90*).
2. W analogii do pkt. 1 w ruchu postępowym prędkość zwiększamy poprzez pochylenie wirnika do przodu. Przyspieszając różnica w sile nośnej wytwarzanej przez łopatę na 3 i 9 godz. się zwiększa, a "zadzieranie nosa" przeciwstawia się naszemu pochyłowi, a więc i zwiększaniu prędkości postępowej. Dochodzimy do pewnego momentu równowagi (zakładamy, że mocy nam nie brakuje), w którym brakuje już nam kątów cyklicznych mogących kompensować zadzieranie nosa lub łopata powracająca przestaje wytwarzać ciąg.

3. Wybacz pewne niedopatrzenia. Pisałem całość rozważań o 2giej w nocy i założyłem z rozpędu, że owy bączek powinien być tak jak uproszczenie końcówki łopaty skupieniem dwóch masz umieszczonych "na patyczkach" w odległości 8 cm od siebie. Przykład miał uwypuklić jak ważna jest długość ramienia na którym porusza się masa.

4. Pomyślę i odpowiem... bo rozumiem, że zakładamy w rozważaniach przypadek idealny w którym wirnik jest układem sztywnym, prawda?
Ba, jeżeli jesteś w stanie dowieść (najlepiej szybkimi wyliczeniami), że łopaty są za lekkie żeby ich precesja obróciła cały heli to, feel free.

Gorąco zachęcam każdego sceptyka, aby spróbował tak jak ja popodstawiać do wzorów jakieś hipotetyczne dane i spróbować wyliczyć jak to wygląda. Wszyscy na tym skorzystamy.

Gajos,
...jak już wyżej wspomniałem pisałem wszystko w "głębokim międzyczasie" (nie mam nawet czasu poskładać swojego protosa), więc jeżeli widzisz miejsca, które wyraźnie można poprawić/ulepszyć, to masz pełne pole do popisu. Będzie można taką ładnie sformatowaną i usystematyzowana pod kątem helików teorię podwiesić na forum dla przyszłych pokoleń...
...przynależność do forum o tematyce helikopterowej do czegoś przecież zobowiązuje

[marketleader]

1. To przy locie z małą prędkością, kiedy desymetria ciągu jest z drugiej strony wirnika to powinno powodować nurkowanie helika a tak nie jest. Jeżeli zjawisko występuje przy dużych prędkościach, a nie występuje przy małych to jest spowodowane zjawiskami objawiającymi się wraz ze wzrostem prędkości czyli z aerodynamiką.

2. To jest już znane i dobrze udokumentowane zagadnienie i nie wymyślajmy. Tak jak pisał Ken. Ze strony powracającej występuje tzw. strefa opływu odwrotnego, która się powiększa wraz ze wzrostem prędkości, co skutkuje spadkiem siły nośnej. Ze strony nacierającej następuje zerwanie strug, przeciągnięcie, co skutkuje również spadkiem siły nośnej. I jest pewna prędkość krytyczna, przy której wirnik przestaje wytwarzać wystarczającą siłę nośną do utrzymania śmigłowca w powietrzu.

4. No to policzmy.
Wzór na okres precesji jest w Wiki tam gdzie pokazywał @valoos: Tp = (4*pi^2*I)/(Q*T)
Potrzeba nam:
I - moment bezwładności wirnika
Q - moment "przewracający" wirnik
T - okres obrotu wirnika wokół osi

"I" - Łopatę przyjmijmy jako pręt jednorodny i pomijamy mocowania w głowicy. Wtedy I = 1/3 ml^2, gdzie
m - masa łopaty - 80 gram, czyli 0,08 kg
l - długość łopaty - 477 mm, czyli 0,477 m
I wynik razy 2 bo mamy 2 łopaty.
Zatem I = 2*1/3*0,08*0,477^2 = 0,0121

"Q" - Przyjmijmy, że helik wisi stabilnie w zawisie. Jego waga gotowego do lotu to 1,5 kg, czyli 15 N. Czyli taka musi być siła nośna. Pochylanie tarczy będzie zwiększać kąty natarcia z jednej strony wirnika, a zmniejszać z drugiej. Wtedy siła nośna wytwarzana przez jedną stronę wirnika maleje, a przez drugą stronę rośnie wywołując ten nasz "moment zaburzenia". Przyjmijmy przypadek skrajny, że kąty łopat zostały już tak mocno zmienione, że z jednej strony wirnika siła nośna spadła do zera, a cała siła nośna wytwarzana jest z drugiej strony. Czyli w uproszczeniu, że całe 15 N siły nośnej jest przyłożone w połowie długości łopaty. Czyli Q = F*l/2, gdzie
F - siła - 15 N
l - długość łopaty = 0,477 m
Zatem Q = 15*0,477/2 = 3,58

"T" - Nie wiem jakie obroty dokładnie ma Protos. Przyjmuję 2000 obr/min, czyli 33,33 obr/s.
Zatem T = 1/33,33 = 0,03

Podstawiając do wzoru głównego:
Tp = (4*pi^2*0,0121)/(3,58*0,03) = 4,44 s

Czyli "fikołek" wykonywany zasadą precesji trwałby prawie 4,5 sekundy

A weźcie jeszcze pod uwagę, że to byłby wywrót samego wirnika, samych łopat ważących łącznie 160 gram. A jeszcze taki wirujący układ musiałby pociągnąć za sobą całego helika ważącego 1,5 kilograma.

Jak dla mnie precesja jako siła sprawcza odpada. Jedyne co, to się najwyżej lekko dokłada do dominujących zjawisk aerodynamicznych.

[valoos]

To przy locie z małą prędkością, kiedy desymetria ciągu jest z drugiej strony wirnika to powinno powodować nurkowanie helika a tak nie jest.

1. Chyba się nie zrozumieliśmy. W powolnym locie postępowym różnica prędkości łopaty powracającej i nacierającej (względem powietrza) jest pomijalnie mała. Fragment łopaty przy 2000 RPM (33,3 RPS ) w odległości 400mm od środka osi porusza się z prędkością blisko 300 km/h. Więc żeby prędkość względem powietrza miała sensowny wpływ na zmianę ciągu pod łopatami, nie wiem ... dajmy na to o połowę, heli musi się względem powietrza poruszać z prędkością ... 150km/h?
[2*3,14*0,4m=2,5m 2,5m*33,3=83 m/s => 298,8 km/h]

Jeżeli zjawisko występuje przy dużych prędkościach, a nie występuje przy małych to jest spowodowane zjawiskami objawiającymi się wraz ze wzrostem prędkości czyli z aerodynamiką

No nie ma co się oszukiwać, bez aerodynamiki śmigłowiec wogóle nie lata...

4. Bardzo zgrabnie policzone. Ale zasadniczo zastrzeżenia mam co do przyjętego "momentu siły zaburzającej":
a. Te 15 N przyjęte jest dla zawisu (75% drążka throttle) co daje na łopacie jakieś 5-6*. (czy ktoś to może to zweryfikować, bo nie mam lotnego sprzętu pod ręką)
Bez problemu jestem w stanie mechanicznie w protosie uzyskać +8* na jednej i -8* na drugiej łopacie.
Przy założeniu liniowej zależności ciągu od kąta (muszę to sprawdzić) dało by to prawie 11N w dól i 11N w górę czyli razem 22N
[15N razem w zawisie, czyli 7,5N na każdą łopatę przy powiedzmy 5,5* => przy 8* to będzie 10,9N na łopatę]

b. Silę nośną przyłożyłbym raczej w 2/3 odległości od środka obrotu - tylko ta część pracuje w zwykłych śmigłach o stałym skoku, a nie sądzę aby w łopatach helikopterowych było znacznie lepiej
c. Te 1,5 kg helika ma środek ciężkości, strzelam ... 15 cm od osi obrotu (fikołka) ? (1,5*0,015m^2=1,5*0,00225m2=0,003375) Jak jego moment bezwładności ma się do I=0,0121 dla rotora?
Wiem, wiem dochodzi jeszcze całkiem długa belka ogonowa (sama belka ogonowa 30g + skrzynka, wirnik, pasek 150g)...
2000 RPM to akurat żadne wybitne obroty do fikania, ale z "testów na symulatorze" oraz pomiarów na youtube wynika, że pełen fikołek w czasie 2-2,5 sek. w tej klasie heli to niezły wynik.
Dlatego uważam, że po uwzględnieniu a, b i c powinniśmy otrzymać wartości, które pozwoliły by osiągnąć ten wynik.
Muszę jeszcze pomyśleć jak rzetelnie pozyskać te wielkości... obiecuję dalsze dociekanie...

Jak dla mnie precesja jako siła sprawcza odpada. Jedyne co, to się najwyżej lekko dokłada do dominujących zjawisk aerodynamicznych.

Jeżeli Sikorsky wskazuje w swojej publikacji precesję jako dominujące zjawisko w sterowaniu śmigłowcem to bardzo wątpię, że w swoich inżynierskich obliczeniach postawił na złego konia ... bo jego śmigłowce latają.
Wiem, że taka metoda dowodzenia nie jest najszczęśliwsza, ale mamy dzięki temu ten komfort, że nie musimy na nowo odkrywać koła (możemy po kolei układać te puzzle mając już obraz całości).