Totul despre Girocopter- partea IX

Portanţa

Ajungând în acest punct, vom detalia fenomenul portanţei, ca efect principal ce face posibil zborul. Pentru a înţelege fenomenul, ne vom imagina un cilindru care se învârte într-un flux continuu de aer. Acesta se învârte în aşa fel încât partea lui superioară se orientază, ca sens de mişcare, în direcţia de deplasare a fileurilor de aer. Viteza fileurilor de aer va fi astfel mai mare pe suprafaţa superioară şi mai mică pe cea inferioară.

Portanţa este rezultatul diferenţei de presiune dintre extrados şi intrados

După cum se observă, există un punct de rupere între cele două fileuri de aer de pe extrados şi intrados (punctul „A”), dar şi un punct de întâlnire şi lipire a celor două fileuri (punctul „B”). După desprinderea în punctul „A”, fileurile de pe extrados vor avea o viteză mai mare (reducerea presiuni, creşterea vitezei) decât cele de pe intrados (reducerea vitezei, creşterea presiunii). Diferenţa de viteză dintre suprafaţa superioară (extrados) şi cea inferioară (intrados) este cea care va produce o diferenţă de presiune. Aceasta este mai slabă pe partea superioară şi mai mare pe cea inferioară şi va genera portanţa. În punctul „B”, fileurile se unesc având aceeaşi viteză.

Acest lucru este valabil în cazul aşezării unui cilindru în fluxul de aer.

În cazul în care, în locul cilindrului vom avea un profil cu unghi de incidenţă, vom constata că punctul de rupere al fileurilor de aer va corespunde cu bordul de atac, iar cel de întâlnirea cu bordul de fugă.

În cazul unui profil, punctele de rupere şi întâlnirea a fileurilor de aer (punctele de oprire „A” şi „B”) sunt amplasate pe bordul de atac şi pe bordul de fugă.

Cele arătate mai sus ne permit să tragem următoarea concluzie: aerul care circulă pe deasupra profilului se accelerează. Este aşa-numitul principiul lui Bernouilli (denumit şi efect venturi). Extradosul profilului poate fi comparat cu o ţeavă venturi. Astfel, dacă aerul trece printr-o ţeavă venturi, viteza sa creşte. Prin urmare presiunea scade.

Partea superioară a profilului (extradosul) este similar limitării unei ţevi venturi.

Întrucât creşterea vitezei fileurilor de aer pe suprafaţa superioară este însoţită de o diminuare a presiunii, vom avea o diferenţă de presiune între extrados şi intrados. Această diferenţă de presiune va da naştere unei forţe dirijate către partea de sus, forţă aerodinamică denumită portanţă.

Portanţa este cea care asigură sustentaţia şi este generată de depresiunea de pe extrados şi suprapresiunea de pe intrados.

În concluzie, portanţa este generată de fapul că circulaţia fileurilor de aer în jurul unui profil se traduce printr-o diferenţă mare de presiune. Dacă unghiul de incidenţă creşte, creşte şi portanţa (se crează un flux de aer cu viteză mai mare pe extrados), întrucât, cu cât incidenţa este mai mare, cu atât punctul de oprire al fileurilor de aer se va deplasa sub bordul de atac.

Contrar unor idei preconcepute, în crearea portanţei, depresiunea de pe extrados este cantitativ mai importantă decât suprapresiunea de pe intrados.

Aerodinamica rotorului

Portanţa girocopterului şi a elicopterului este generată de elice. Deşi între cele două tipuri de aparate de zbor există numeroase similitudini în explicarea principiilor aerodinamice, totuşi, trebuie să ţinem cont de diferenţa fundamentală între elicopter şi girocopter. Faptul că elicea girocopterului funcţionează întotdeauna în auto-rotaţie, chiar şi în timpul zborului propulsat. Prin urmare, vântul relativ în care se deplasează propulsorul este cel care determină rotirea liberă a elicei datorită palelor şi nu cuplării la un motor (ca în cazul elicopterelor).

Fileurile de aer care traversează elicea unui girocopter nu au acelaşi sens ca acelea care traversează elicea unui elicopter.

Din punct de vedere aerodinamic, elicea unui girocopter cu o configuraţie normală de zbor funcţionează ca aceea a unui elicopter care are o pană de motor.

În timpul auto-rotaţiei, forţele care iau naştere în elice permit simultan antrenarea rotaţiei şi generarea portanţei necesare pentru zbor.

Autorotaţia în coborâre verticală

În timpul unei auto-rotaţii pe verticală, trebuie luate în calcul două elemente pentru determinarea vântului relativ care atacă pala.

Prima componentă este fluxul de aer vertical care traversează suprafaţa de deplasare pe verticală a elicei şi care rămâne relativ constantă pentru condiţiile de zbor existente. Cea de a doua componentă este deplasarea aerului produsă de viteza de rotaţie a palei, aceasta variind semnificativ în funcţie de poziţia punctului în care este calculată.

În momentul unei coborâri pe verticală în auto-rotaţie, vântul relativ care atacă pala este componenta vitezei de coborâre şi a vitezei de rotaţie a palei.

De exemplu, pentru un rotor al cărui diametru este de 8 m, iar viteza de rotaţie este de 300 turaţii/minut, la o distanţă de 30 cm de axul de rotaţie circumferinţa parcursă de pală este de 188 cm, iar viteza de rotaţie a acestui punct este de 9,4 m/s. La extremitatea palei, circumferinţa cercului descris este de 25 de metri, iar viteza atinsă este de 126 m/s. Astfel, viteza aerului este mult mai mare la capătul palei, motiv pentru care unghiul de incidenţă al fileurilor de aer va fi mult mai mic.

La deplasarea dinspre axul rotorului (piciorul palei) spre extremitate, viteza de rotaţie a acestei pale creşte şi devine net superioară componentei verticale a vitezei aerului.

Zonele discului rotativ

Ţinând cond de direcţia ei ca forţă aerodinamică, portanţa profilului este întotdeauna perpendiculară pe vântul relativ. Ea se caracterizează prin zone diferite ca forţă aerodinamică. Astfel, întrucât incidenţa vântului relativ al unei pale în auto-rotaţie este ridicată în apropierea axului de rotaţie şi redusă la extremităţi (invers faţă de viteza vântului relativ), componenta portanţei în planul de rotaţie este mai semnificativă în apropierea axului de rotaţie decât la extremităţi. În mod similar, componenta perpendiculară în planul de rotaţie este mai importantă la extremităţi decât spre piciorul palei.

Prin urmare, putem descrie diferite zone de pe discul descris de rotor care permit apariţia auto-rotaţiei.

Zone de pe discul descris de rotor care permit auto-rotaţia.

Din punct de vedere al forţelor aerodinamice, rezultanta aerodinamică este amplsată în faţa axului de rotaţie, în zona de auto-rotaţie, dar şi în spatele axului de rotaţie, în zona de auto-rotaţie. Astfel, zona de auto-rotaţie propriu-zisă generează o forţă aerodinamică a cărei componente în planul rotaţiei sunt superioare forţei de antrenare care frânează elicea.

Zona de auto-rotaţie generează astfel o componentă importantă perpendiculară pe planul de rotaţie care permite susţinerea girocopterului (sustentaţia).

Forţa de antrenare, pe care trebuie să o compenseze zona de auto-rotaţie, este situată în apropierea centrului discului. Aici se află o zonă de desprindere a fileurilor de aer, iar viteza de rotire a palei este atât de redusă încât incidenţa fileurilor de aer rezultate este superioară incidenţei de desprindere a acestora de pe profil.

Auto-rotaţia în timpul zborului de translaţie

Cele arătate anterior se referă la fenomenul de auto-rotaţie la coborârea pe verticală.

În timpul zborului de translaţie, componenta orizontală a vitezei girocopterului trebuie şi ea luată în calcul. Această componentă, deşi nu influenţează principiul auto-rotaţiei, determină deplasarea fileurilor de aer descrise anterior.

Astfel, în zborul de translaţie, viteza orizontală a girocopterului se însumează vitezei proprii a palei de înaintare (pala de avans) şi scade din viteza proprie a palei de recul, iar pentru a echilibra diferenţa de portanţă dintre cele două pale, pala de avans va urca, generând diminuarea axului său de incidenţă şi a portanţei, în timp ce pala de recul va coborî (fapt ce îi măreşte incidenţa şi portanţa).

Incidenţa redusă a palei de avans rezultată din această oscilaţie determină apariţia mai rapidă a acesteia în zona de anti-rotaţie, în timp ce incidenţa mai mare a palei de recul determină tendinţa mai rapidă de desprindere a fileurilor de aer de aceasta. Efectul va fi deplasarea diferitelor regiuni ale discului elicei către pala de recul cu o cantitate direct proporţională cu viteza de translaţie a girocopterului.

Diferitele regiuni ale discului elicei în timpul zborului de translaţie.

Fileurile inverse (cercul de inversiune)

Tot în timpul zborului de translaţie, pe punctele palei de recul din apropierea axului de rotaţie va apărea un flux de aer invers. Fenomenul apare din cauza faptului că, în această zonă, viteza de translaţie este superioară vitezei de rotire a palei. Consecinţa este că fileurile de aer atacă profilul palei dinspre bordul de fugă cu o viteză care creşte în apropierea axului de rotaţie.

Zona fileurilor inverse în zborul de translaţie, este amplsată pe pala de recul şi rezultă dintr-o viteză a girocopterului superioară vitezei de rotire a palei.

Distanţa parcursă în momentul mişcării de revoluţie de către un punct situat la 50 cm de axul de rotaţie este de 3,14 m. Pentru o viteză de rotaţie de 300 rotaţii/minut, se obţine o viteză de 56 km/h. Dacă girocopterul zboară cu o viteză mai mare de 56 km/h, viteza de translaţie o va anula pe cea de rotire a palei.

Dimensiunea cercului de inversiune astfel creat depinde în primul rând de viteza relativă a girocopterului (comparativ cu masele de aer). Cu cât această viteză relativă este mai mare, cu atât mai importantă este dimensiunea cercului de inversiune.

Şi viteza de rotire a elicei este importantă, girocopterele a căror elice se rotesc mai încet având o regiune de inversiune mai importantă.

Ridicarea palei de recul

Acest fenomen diferă de cel produs la elicele de elicopter.  Fenomenul se produce într-o regiune amplasată la 30 sau 40 la sută de axul de rotaţie, în timp ce în cazul unui elicopter, ridicarea palei de recul se produce la capătul palei.

Aşa cum se observă din descrierea diferitelor regiuni ale discului elicei în timpul zborului de translaţie (vezi figura), auto-rotirea determină apariţia unei zone de ridicare amplasată spre pala de recul. Pe măsură ce creşte viteza girocopterului, unghiul de incidenţă al palei de recul creşte şi el pentru a echilibra diferenţa de portanţă, iar zona de ridicare se deplasează către exteriorul palei de recul.

Întrucât zona de ridicare este situată în apropierea zonei axului de rotaţie (şi nu către extremităţi, cum este cazul elicopterului), fileurile de aer din apropierea piciorului palei generează mai puţină portanţă în apropierea centrului de greutate al aparatului. Prin urmare, pilotul poate resimţi uneori o creştere a nivelului vibraţiilor, dar acesta nu va resimţi şi o tendinţă de ruliu sau tangaj aşa cum se întâmplă în cazul unui elicopter.

-Va urma-

Incoming search terms:

• EFECTUL VENTURI (125)
• portanta (52)
• portanta la avioane (27)
• ce este portanta (19)