Vrtulník SO.1221 Djinn se systémem Cold tips se vyráběl sériově.
Otázka Proč některé jednorotorové vrtulníky nemají vyrovnávací vrtulku?
Stručná odpověďDůvody, proč některé jednorotorové vrtulníky nemají vyrovnávací vrtulku, mohou být tři. Buď mají vyrovnávací rotor nahrazený jiným řešením se stejnou funkcí, které nemusí být na první pohled patrné. Nebo jejich pohonná soustava nevytváří reakční moment. Nebo nejde o úplně „čistokrevný“ vrtulník. |
Možnost svislého vzletu a přistání zajímala konstruktéry hned po zvládnutí řízeného letu. První úspěšný pokus o vzlet se uskutečnil již v roce 1906. Rychlejšímu vývoji vrtulníku bránilo zpočátku několik okolností: absence dostatečně výkonné pohonné jednotky, vyřešení systému řízení a kompenzace reakčního momentu.
Reakční moment vzniká v důsledku třetího Newtonova zákonu o akci a reakci, který říká, že každá akce vyvolává stejně velkou reakci opačného směru. V praxi to znamená, že když se roztočí hřídel motoru (lhostejno zda spalovacího nebo elektrického), což je akce, reakce má tendenci otáčet „pouzdrem“ motoru stejně velkou silou na opačnou stranu. Kdo by měl pochybnosti, ať si zapne doma například ruční vrtačku.
U vrtulníků se děje totéž mezi rotorem a „zbytkem“ vrtulníku. Dokud stojí na zemi, je většinou třecí odpor podvozku větší než reakční síla, takže se prakticky nic neděje. V okamžiku odlepení od země se stane totéž, jako byste vrtačku pustili z ruky. Trup vrtulníku se začne otáčet opačným směrem než rotor. Existují v zásadě čtyři způsoby, jak tomu zabránit:
- Použít dva rotory, jejichž reakční moment se vyrovná. Na jejich vzájemné poloze příliš nezáleží. Mohou být vedle sebe (transverse), za sebou (tandem), nad sebou (coaxial) nebo se prolínat (synchrocopter). Musí se otáčet opačným směrem.
- Použít jeden hlavní rotor a na dostatečně dlouhé páce vyrovnávací rotor, který vytváří sílu a kompenzuje reakční moment. Laicky řečeno, je to jako by malé letadélko táhlo ocas vrtulníku proti směru otáčení hlavního rotoru.
- Použít jiný systém, který funkci vyrovnávacího rotoru nahradí.
- Použít takový pohon, který reakční moment nevytváří.
Nás budou zajímat poslední dvě varianty a jejich praktická uplatnění.
Bez rotoru již v názvu
NOTAR vrtulník MD 900 Explorer
Asi nejběžnější systém je NOTAR (No Tail Rotor), který má absenci ocasního rotoru přímo v názvu. NOTAR vyvinula firma Hughes s cílem snížit hlučnost a zvýšit bezpečnost vrtulníků. Její OH-6 Cayuse a celá řada MD-500 jsou malé vrtulníky, používané ozbrojenými silami k průzkumu, kde piloti často využívají úkryt mezi stromy. Civilní verze se používají při opravách vysokých vedení nebo při záchranářských pracích. Ve všech těchto případech je omezení hladiny hluku a snížení rizika poškození ocasního rotoru nebo ohrožení lidí na zemi kolizí s ocasním rotorem vítané.
Systém NOTAR není tak jednoduchý, jak na první pohled vypadá. Využívá dva principy: trysku, do které proudí vzduch z dmychadla, a Coandův efekt. Otočná tryska je dobře patrná na konci tlustého ocasního nosníku a její funce je celkem prostá, proud vzduchu působí stejně jako vyrovnávací rotor a „tlačí“ ocasní nosník proti nebo po směru působení reakčního momentu. Tah trysky se reguluje změnou geometrie lopatek dmychadla.
Méně patrné jsou dvě podélné štěrbiny na pravé straně nosníku. Jimi proudí vzduch z dmychadla směrem dolů, strhává vzduch proudící kolem vnější strany nosníku a vytváří přídavnou sílu. Tento efekt, kdy proud kapaliny „kopíruje“ zakřivený povrch, popsal rumunský vědec a vynálezce Henri Marie Coanda již v roce 1910. Přesto trvalo firmě Hughes odladění celého systému tři roky. Nyní patří vrtulníky MD-520N, MD-600N a MD-900 Explorer mezi nejtišší na světě. V Německu postavila firma Jung v roce 2008 prototyp vrtulníku, lehký vrtulník Youngcopter Neo, také využívající systém NOTAR. Do výroby se však nedostal.
Schéma funkce NOTAR, červeně je vyznačen proud vzduchu způsobený Coandovým efektem.
Eliminace reakčního momentu proudem vzduchu z boční trysky není žádná novinka. Již v roce 1945 byl v Británii zalétaný experimentální vrtulník Cierva W.4 "Drainpipe“. Ohřátý vzduch od ventilátoru zajišťujícího nucené chlazení motoru, byl vedený ocasním nosníkem k zahnuté trysce na levé straně. Vychylováním pedálů pilot reguloval geometrii lopatek ventilátoru a tím i tah trysky. Vrtulník byl zničen při nehodě v roce 1946.
Raketové motory pro vaše rotory
Dokonce i u vrtulníku s jedním rotorem se dá vyhnout vzniku reakčnímu momentu. Stačí, aby se síla nutná k uvedení listů do pohybu nepřenášela hřídelí z trupu, ale generoval ji samotný rotor nebo nějaký „motor“ na něm upevněný. Inspirací byla, kdysi populární pyrotechnická atrakce „ohnivé kolo“, poháněná prachovými raketami upevněnými po obvodu.
Takové řešení má řadu výhod, ale také nevýhod. Výhodou je zbavení se „otravného“ reakčního momentu. Tím ušetříme pro výkon spotřebovaný vyrovnávacím rotorem a „zbude“ nám více pro hlavní rotor generující vztlak. Jinak řečeno, vrtulník může mít při stejném výkonu větší nosnost (teoreticky). Protože motor má o řád vyšší otáčky než rotor (cca 120-250 ot/min), ušetříme hmotnost ne zrovna jednoduchého reduktoru. V porovnání s dvourotorovým vrtulníkem je celý pohon velmi prostý.
Na druhou stranu je potřeba na listy umístit nějaký zdroj pohonu, což představuje v každém případě zvýšené požadavky na pevnost a tím pádem i nárůst hmotnosti a aerodynamického odporu. V případě vysazení pohonu to znamená přistávání autorotací s vyšší rychlostí klesání, což vyžaduje bytelnější a těžší podvozek. V některých případech nemusí být přistání autorotací ani možné.
Jak se to dá vyřešit v praxi? Zdánlivě nejjednodušší způsob jsme popsali. Umístit na konec listů raketový motor. To funguje na „ohnivém kole“, ale u vrtulníku je to mnohem komplikovanější. Hmotnost motoru zvyšuje namáhání listu. Výkon je potřeba regulovat, což u motoru na tuhé pohonné hmoty nejde vůbec a u kapalinového jen obtížně. Se spolehlivostí a bezpečností na tom raketové motory také nejsou nejlépe. Nicméně mají skvělý měrný výkon. Lehký motor poskytuje velký tah, ovšem za cenu vysoké spotřeby paliva, což se podepíše na hmotnosti nádrží, ke kterým je potřeba přičíst nádrže na okysličovadlo.
Raketový systém ROR (Rocket On Rotor) se testoval jen jako pomocný na vrtulnících H-19 Chickasaw v roce 1954. Do operační služby zaveden nebyl, přestože nárůst výkon byl markantní. Stejně dopadl projekt záchranného „rotorového batohu“ z roku 1956. O rotoru poháněném raketovými motory uvažovala firma Rotary Rocket Company pro návrat své jednostupňové kosmické lodi Roton. Projekt skončil stavbou makety.
Dalšími konstrukčně jednoduchými jsou náporové motory. Kromě palivového čerpadla a regulace nemají žádné pohyblivé díly. To je jejich největší výhoda i nevýhoda. Problém je v tom, že bez kompresoru je vzduch stlačován jen v difuzoru a to vyžaduje vysokou dopřednou rychlost. Náporový motor je nejúčinnější při rychlostech 2,5 – 4 Machy. To u vrtulníku není možné, protože obvodová rychlost konců listů nesmí překročit rychlost zvuku, takže náporové motory pracují v oblastech s mnohem nižší účinností. Přesto byla jednoduchost, malá hmotnost a nízká cena pro řadu konstruktérů dostatečným lákadlem.
Americká firma Hiller postavila vrtulník YH-32 Hornet s náporovými motory Hiller 8RJ2B na koncích listů. Motory měly tah 0,18 kN, vážily necelých 6 kg a daly se vyměnit za 20 minut s použitím základního nářadí. Bylo postaveno 18 kusů, první vzlétl v roce 1950. Projekt byl zrušený mimo jiné proto, že motory na koncích listů zvyšovaly odpor natolik, že v případě jejich vysazení bylo obtížné dosáhnout autorotace. Navíc měly vysokou spotřebu, takže provoz byl neekonomický a nespravila to ani skutečnost, že náporové motory nebyly „vybíravé“ a mohly spalovat kde co, od benzínu, přes naftu, letecký petrolej až po naředěný olej.
Hot tips
Mnohem praktičtější bylo použít k pohonu rotorových listů stlačený vzduch z nějakého vnějšího zdroje, například kompresoru poháněného pístovým motorem. S příchodem lehčích a jednodušších proudových motorů bylo možné použít turbokompresorovou jednotku, což bylo dmychadlo poháněné turbohřídelovým motorem. Protože zpočátku panovaly pochybnosti o účinnosti celé soustavy, pomáhali si konstruktéři vytvořením spalovací komory s tryskou přímo v konci rotorového listu. Z toho důvodu je systém označován jako „Hot tips“ (žhavé konce).
První úspěch zaznamenali Němci, kteří v roce 1943 zalétali experimentální vrtulník Doblhoff WNF 342. Vrtulník byl poháněný hvězdicovým motorem BMW-Bramo Sh.14A s výkonem 104 kW. Motor poháněl malou vrtuli, která sloužila pro ofukování ocasních ploch a kompresor, dodávající stlačený vzduch dutými rotorovými listy do trysek na jejich koncích. Do trysek se vstřikovalo palivo a reaktivní síla roztáčela rotor.
Za nimi následovali Francouzi, kteří v roce 1947 zalétali experimentální lehký vrtulník Sud-Ouest Ariel, poháněný pístovým motorem Mathis G8 s výkonem 220 kW. Motor poháněl dmychadlo Turboméca, dodávající vzduch na konce trojlistého rotoru, kde byly opět spalovací komory. Byly postavené tři mírně odlišné kusy. Poslední, zalétaný v roce 1951, již byl poháněný turbokompresorovou jednotkou Turbomeca Arrius a pro zlepšení řiditelnosti měl na ocasním nosníku kromě kormidel ještě dvě trysky na stlačený vzduch.
Hot tips využíval i experimentální McDonnell XV-1.
V roce 1954 byl v USA zalétaný experimentální stroj McDonnell XV-1, kombinující řešení vírníku a vrtulníku (gyrodyne). K pohonu sloužil hvězdicový devítiválec Wright/Continental R-975 s výkonem 391 kW, pohánějící dva odstředivé kompresory. Ty dodávaly stlačený vzduch do spalovacích komor na koncích rotoru, který zajistil dostatečný vztlak pro kolmý vzlet a přistání. Za letu tento pohon vypínal a rotor se otáčel autorotací jako u vírníku, zatímco výkon motoru se přenášel na tlačnou vrtuli, zajišťující pohyb vpřed. Za dopředného letu vytvářela 80 % vztlaku křídla a zbytek rotor, otáčející se v autorotačním režimu asi polovičními otáčkami. Byly postavené dva prototypy, které nalétaly asi 600 hodin a dosáhly maximální rychlosti přes 320 km/h. Projekt byl zrušen v listopadu 1957.
V Británii se této koncepci věnovala firma Fairey. V roce 1954 zalétala stroj Fairey Jet Gyrodyne. Jednalo se o podobné řešení jako v případě amerického XV-1. K pohonu sloužil hvězdicový devítiválec Alvis Leonides s výkonem 390 kW pohánějící dva kompresory z motoru Rolls Royce Merlin.
Přibližně ve stejné době vyvíjela firma „klasický“ vrtulník Fairey Ultra-light Helicopter. Vrtulník poháněla turbokompresorová jednotka Blackburn Turbomeca Palouste, dodávajícím vzduch do spalovacích komor na koncích rotorových listů.
Fairey Rotadyne měl znamenat revoluci v dopravě na krátké vzdálenosti.
Vrcholným dílem kombinovaných vrtulníků (gyrodyne) byl Fairey Rotadyne, který měl znamenat revoluci v osobní dopravě v přeplněných městech. K pohonu sloužily dva turbovrtulové motory Napier Eland s výkonem po 2100 kW dodávající vzduch do spalovacích komor na koncích čtyřlistého rotoru. Rotor vytvářel dostatečný vztlak pro kolmý vzlet a přistání. Při dopředném letu se rotor otáčel autorotací a vytvářel zhruba polovinu vztlaku. Druhou polovinu zajišťovala křídla s plochou 44 m2. Pro dopředný let motory roztáčely dvě čtyřlisté stavitelné vrtule. Projekt byl ukončen v roce 1962.
Cold tips
Spalovací trysky na koncích rotorových listů nebyly z konstrukčního hlediska špatné, ale nebyly úplně ideální. Rostoucí výkon proudových motorů umožnil dodávat větší množství vzduch pod vyšším tlakem, takže se konstruktéři obešli bez nich. Tento systém nese označení „Cold tips“ (studené konce), přestože vzduch, který prošel kompresorem (proudového motoru) má k pokojové teplotě daleko.
Cold Tips je poměrně jednoduché řešení. Jeho největším problémem jsou tlakové ztráty, malá účinnost a nutnost pečlivého utěsnění celé rotující soustavy. Ze všech uvedených systémů reaktivních pohonů rotoru byl nejúspěšnější, protože jeden z takto poháněných vrtulníků se dostal do sériové výroby.
Vrtulník SO.1221 Djinn se systémem Cold tips se vyráběl sériově.
Francouzi na základě zkušeností s „hot tips“ typem SO Ariel postavili pokusný vrtulník Sud-Ouest SO.1220, zalétaný v lednu 1953. Po testech byl zařazen do výroby jako SO.1221 Djinn. Vrtulník byl poháněný turbokompresorovou jednotkou Turbomeca Palouste, která dodávala stlačený vzduch do trysek na koncích rotorových listů. Celkem bylo postaveno 178 kusů, dodaných převážně francouzské a kamerunské armádě. Část vrtulníků koupili civilní uživatelé a používali je s rozprašovacím zařízením k ošetřování polí.
Skládací vrtulník pro jednoho muže Dornier Do 32
V roce 1962 Němci zalétali prototyp jednoduchého skládacího vrtulníku pro jednoho muže, označeného Dornier Do 32. Vrtulník si objednal Bundeswehr. Podmínkou bylo, aby se složený vešel do přívěsu za džíp. Vrtulníček s hmotností 270 kg byl poháněný turbohřídelovým motorem BMW 6012L s výkonem 67 kW, který roztáčel dmychadlo dodávající vzduch do trysek na koncích rotorových listů. Celkem byly postaveny čtyři kusy.
Ještě divočejší řešení
V Británii byl v roce 1947 zalétaný Fairey FB.1 Gyrodyne. Opět šlo o stroj kombinující vlastnosti vírníku a vrtulníku. Rotor pro svislý vzlet a přistání byl poháněný hřídelí od motoru. Nestandardním řešením byla jedna vrtule na konci pravého křídla, která zajišťovala tah pro pohyb vpřed a zároveň kompenzaci reakčního momentu. Po vzletu bylo možné variátorem měnit poměr výkonu pro rotor a tažnou vrtuli. Na levém křídle vyrovnávala její hmotnost přídavná nádrž.
Francouzi postavili a v roce 1953 zalétali SO.1310 Farfadet, což byl kombinovaný vrtulník s rotorem poháněným tryskami, ke kterým byl přiváděný vzduch od kompresoru poháněného turbohřídelovým motorem Turbomeca Arrius. Dopředný let zajišťoval turbovrtulový motor Turbomeca Artouste. Stroj s vertikálním vzletem a přistáním dosahoval s osmi pasažéry rychlosti 240 km/h. Byl postaven jen jeden prototyp.
V roce 2007 vznikl ve Spojených státech technologický demonstrátor Piasecki X-49 Speedhawk, přestavěný z vrtulníku SH-60F Seahawk. Hlavním rozdílem byla montáž zaplášťované vrtule s měnitelným vektorem tahu VTDP (Vectored Thrust Ducted Propeller) místo ocasního rotoru. VTDP slouží pro zvýšení dopředné rychlosti a díky vektorizaci tahu plní zároveň funkci vyrovnávacího rotoru.
Americký XH-26 Jet Jeep, s pulzačními motory na koncích rotorových listů, měl ocasní rotor kvůli lepšímu řízení při nulové dopředné rychlosti.
Nizozemský H-3 Kolibrie měl ocasní rotor kvůli lepšímu řízení při nulové dopředné rychlosti.
Některé vrtulníky s reaktivním pohonem hlavního rotoru měly ještě „podměrečný“ ocasní rotor. Ten nesloužil k vyrovnání reakčního momentu, ale pro lepší řízení kolem svislé osy při nulové dopředné rychlosti. Jednalo se například o americký XH-26 Jet Jeep s pulzačními motory na koncích rotorových listů, nizozemský H-3 Kolibrie s náporovými nebo sovětský sovětský projekt Mil V-7 s proudovými. V kategorii „Hot tips“ například těžký jeřábový vrtulník Hughes XH-17, a s koncepcí „Cold tips“ britský Percival P.74 nebo italský Fiat 7002. Některé typy s pomocným rotorem zpočátku nepočítaly a dostaly jej až dodatečně.
Na závěr by se dal ještě zmínit systém Fenestron, ale v tomto případě se jedná prakticky jen o zapouzdřený vyrovnávací rotor s menším průměrem a více listy. Rotor vírníků zmíněných v textu se roztáčí náporem vzduchu, takže reakční moment nevytváří. Na druhou stranu není vírník schopen visení ani svislého vzletu a přistání, ale někoho může zmást.
