موضوع مقاله: چرخانه اصلی بالگرد | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # چرخانه اصلی بالگرد | مقدمه: این بخش از بالگرد نیروی برآر تولید می‌کند تا وزن آن از زمین بلند شود و همچنین نیروی رانش برای چیره شدن بر نیروی پسار فراهم می‌کند تا بالگرد توانایی پرواز رو به جلو را نیز داشته باشد. | ## بخش 1: چرخانه اصلی بالگرد | همهٔ تیغه‌ها بر روی یک «توپی» نصب می‌شوند و توپی نیز بر روی سواش‌پلیت نصب می‌شود. در بالگردهای معمولی یک پروانهٔ اصلی در بالای بالگرد و یک پروانه هم بر روی دم آن وجود دارد؛ از این رو، نیروی لازم برای چرخاندن پروانه دُم، بطور مستقیم از گیربکس پروانهٔ اصلی بالگرد گرفته می‌شود که به وسیلهٔ یک شَفت به پروانه دم بالگرد منتقل می‌گردد؛ پروانه دم نیز در کنار خود یک گیربکس کوچک دارد. این نیرو از موتور به یک گیربکس منتقل شده و به‌وسیلهٔ یک شفت بلند که دکل نام دارد به مجموعهٔ پروانه بالگرد منتقل می‌شود. دکل یک میلهٔ استوانه‌ای بلند است که از سقف بالگرد بیرون زده و به وسیلهٔ گیربکس گردانده می‌شود. بر بالای دکل یک مهرهٔ چفت‌سازی وجود دارد که مهره دکل نامیده می‌شود و بخشی از «مجموعهٔ توپی» به حساب می‌آید. مجموعهٔ پروانهٔ بالگرد بسته به نوع اتصال تیغه‌ها به توپی، در کلاس‌های گوناگونی طبقه‌بندی می‌شوند. در کل سه طبقه‌بندی اصلی وجود دارد که شامل «بی‌لولا»، «نیمه لولایی» و «تمام لولایی» هستند. پروانه یک مجموعهٔ بالانس شده‌است که با ابزارهای بسیار حساس و دقیقی برای کاهش لرزش و تغییر سرعت هوا مجهز شده‌است. پروانه‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا در دور موتور ثابت کار کنند که البته در برخی از بالگردها، میزان دور موتور تا مقدار کمی قابل افزایش است. از این رو می‌تواند حجم زیادی از هوا را به پایین جریان دهد و نیروی برآر را به صورت کاملاً عمودپرواز فراهم نماید. از آنجایی که موتور بالگرد در سرعتهای کم، بازدهٔ بیشتری دارد، بالگرد می‌تواند با صرف ۶۰ درصد از توان خود بر روی زمین هاور کند. مساحت کل پروانهٔ بالگرد (دایره) به سه بخش تقسیم می‌شود که بخش درونی آن به دلیل شعاع گردش بسیار کم، نیروی برآر بسیار کمی فراهم می‌نماید که در نشست و برخاست بالگرد بی‌تأثیر است.Bensen, Igor. به معنای این است که نازک و بلند هستند و این ویژگی باعث می‌شود که نسبت تاوه نوک بال به نیروی برآر بسیار کم و ناچیز باشد. تاوه‌ها در زمان جریان هوای قوی، اثر بسیار بیشتری بر بالگرد می‌گذارند و موجب کاهش نیروی برآر و از دست دادن ارتفاع می‌شوند. هرجا که جریان هوا سریعتر باشد، تاوه‌ها نیز مشکل‌سازتر خواهند شد و ممکن است حالت حلقه تاوه‌ای ایجاد کنند؛ بنابراین با طراحی تیغه‌ها بصورت نازک و بلند، نیروی کافی برای بلند کردن وزن بالگرد و چیره شدن بر تاوه‌ها فراهم می‌شود. تیغه‌های بالگردها از متریال گوناگون همانند آلومینیم، آلیاژ فولاد، کامپوزیت یا تیتانیوم ساخته می‌شوند. در تصویر بالا توپی بالگرد رابینسون آر-۲۲ به‌وسیلهٔ دو میلهٔ اتصال بلند، بر روی سواش‌پلیت گردان نصب شده‌است. اجزای توپی آر-۲۲ به ترتیب از بالا به پایین در زیر نگاشته شده‌اند: لولاهای زوایهٔ حمله (Pitch hinges) مسئول تغییر زاویه حمله تیغه‌ها هستند و هر تیغه را در راستای محور طولی خود می‌چرخانند. به عبارت دیگر به وسیلهٔ این لولاها، هر تیغه از ریشه تا نوک آن در راستای طولی چند درجه به دور خود می‌غلطد تا فشار هوای رو به پایین کم و زیاد شود. برای نمونه اگر یک تیغه شیبی به بالا بردارد، تیغهٔ دیگر می‌تواند به همان نسبت در زاویه پایین شیب بردارد تا بالانس برقرار شود. این شرایط ممکن است در شرایطی رخ دهد که خلبان مانور ویژه‌ای در دستور کار داشته باشد و با سکان بالگرد بشدت برخورد نماید یا بادهای شدید موجب تغییر مکان تیغه‌ها شوند. از این رو تیغه‌ها باید در راستای الاکلنگی نیز بصورت هماهنگ امکان تغییر زاویه را داشته باشند. سواش‌پلیت (Swashplate) وظیفهٔ انتقال دستورها خلبان از راه سکان و اهرم را بر عهده دارد که به بخش گردان سواش‌پلیت منتقل می‌شود. دستورها خلبان برای تغییر دادن در زاویهٔ حمله تیغه‌های بالگرد، به «سواش‌پلیت ایستا» داده می‌شود و سپس به «سواش‌پلیت گردان» منتقل می‌گردد. میله‌های کنترل‌گر (control rods) سه میلهٔ ایستا هستند که در تصویر روبرو در پایین‌ترین بخش از توپی در حاشیهٔ بدنهٔ بالگرد جای دارند و نوک آنها مشخص است. این سه میلهٔ کنترل‌گر زیر سواش‌پلیت ایستا نصب شده‌اند و دستورها خلبان را از سکان به سواش‌پلیت ایستا منتقل می‌کنند که به دنبال آن، از بخش ایستا به سواش‌پلیت گردان و سپس توپی و سپس تیغه‌ها منتقل خواهد شد. این آرایش ساده با دو تیغه ساخته می‌شود که دو تیغه‌اش دقیقاً بر روی یک لولای بالابر-پایین‌بر نصب می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود که تیغه‌ها در جهت مخالف یکدیگر در راستای بالا و پایین همانند یک الاکلنگ حرکت کنند. این مجموعه در زیر لولای الاکلنگی یک زاویهٔ مخروطی به تیغه‌ها می‌دهد که باعث می‌شود بر پایهٔ اثر کوریولیس، شعاع گرانیگاه تیغه‌ها در محور گردش کاهش یابد. بالگردهای شرکت رابینسون هلیکاپتر دارای این نوع آرایش پروانه هستند که مستعد حوادث بسیار است. در یک بالگرد با پروانهٔ تمام لولایی، هر تیغه به وسیلهٔ چند لولا به توپی مرکزی وصل می‌شوند. در این آرایش، هر تیغه می‌تواند بطور کاملاً مستقل از تیغه‌های دیگر بر سر جای خود از ریشه تکان بخورد. | ## بخش 2: چرخانه اصلی بالگرد | هرکدام از تیغه‌ها می‌توانند بطور جداگانه و مستقل از یکدیگر، به بالا و پایین گرایش کرده، بر روی یک سهمی پیوسته نوسان کند و همچنین در راستای عرضی از لولای روی توپی پیشروی و پسروی کنند. وظیفهٔ «لولای بالارو-پایین‌رو» بالانس کردن وزن نامتعادل تیغه‌هاست و بی‌تعادلی را جبران می‌کند. ممکن است فاصله قرارگیری لولای بالارو-پایین‌رو با توپی در بالگردهای گوناگون با هم متفاوت باشد؛ و حتی ممکن است هر تیغه بیش از یک لولای بالارو-پایین‌رو داشته باشد. در صورتی که یک تیغه بالا برود، تیغهٔ دیگر می‌تواند در خلاف جهت آن بصورت مستقل از لولا خم شود و پایین بیاید تا بالانس برقرار شود. در بخش لولای پیشروی-پسروی یک کمک هیدرولیک بدون فنر لول نصب شده که ضربه برخورد را جذب کرده و از پیشروی و پسروی غیرمجاز نیز جلوگیری کند. هدف از نصب لولای پیشروی-پسروی و کمک هیدرولیکی‌اش این است که تیغه‌ها پس از یک تغییر گشتاور ناگهانی، دوباره با هم همگام شوند. به عبارت دیگر این قطعه‌ها برای جبران تغییر گشتاور پروانه نصب می‌شوند که برای نمونه اگر خلبان زوایهٔ حملهٔ تیغه‌ها را بوسیلهٔ اهرم افزایش دهد، سرعت چرخش پروانه کاسته خواهد شد و لولای پیشروی-پسروی خود را با این تغییر سرعت سازگار کرده و این کمک‌فنرها هستند که با جذب این ضربهٔ ناشی از تغییر مکان تیغه، از آسیب دیدن و بی‌تعادل شدن مجموعهٔ پروانه جلوگیری می‌کنند. این لولا همانند یک پیچ نصب شده‌است و به تغییرات در سکان یا اهرم خلبان واکنش نشان می‌دهد. این لولا پیرو سواش‌پلیت گردان است و مسئول تغییر در زاویهٔ حملهٔ تیغه است و به بعبارت دیگر این لولا موجب می‌شود که تیغه در راستای بلندای خود اندکی چرخش زاویه‌ای داشته باشد و به دور خود بغلطد تا لبهٔ حملهٔ تیغه، کاهش یا افزایش یابد. برای نمونه بسیاری از بالگردهای قدیمی شرکت بل ازجمله بل اواچ-۵۸ کیووا دارای این آرایش پروانه هستند. این ترکیب‌بندی درواقع بر مبنای آرایش تمام لولایی ساخته شده‌است که پروانه‌ها بطور مستقل از یکدیگر بالا و پایین و چپ و راست می‌روند؛ ولی «نرم‌پرواز» از آن جهت فرق دارد که دارای یک یوغ بعنوان افزونهٔ تعادلی است. این قطعه بر روی دکل نصب می‌شود و میان تیغه و حاشیه یاتاقان توپی اتصال ایجاد می‌کند. این افزونه باعث می‌شود بخشی از حرکتهای یک تیغه، به تیغهٔ دیگر نیز سرایت کند که معمولاً تیغهٔ مخالف با آن است. با وجود این که این شیوه «تمام لولایی» نیست، ولی ویژگی‌های آرایش آن بسیار مشابه است. از مزایای این شیوه نسبت به تمام لولایی این است که هزینه‌های تعمیر و بازه اورهال آن کمتر شده‌است. زیرا اتصال ساچمه‌های فلزی با سطح فلزی نیاز به گریس‌کاری دارد و نقص آن باعث سقوط بسیاری از بالگردها می‌شود. بلبرینگ‌های الاستومر هرگز در طول پرواز دچار خرابی و سقوط نمی‌شوند و فرایند ساییدگی در آنها بلندمدت و تدریجی است که با چشم قابل مشاهده می‌باشد؛ از این رو دیگر نیازی به گریس‌کاری ندارند. در این آرایش، تیغه‌ها خمش‌پذیر هستند و هر تیغه تنها می‌تواند از بخشهای خمش‌پذیر در ریشهٔ تیغه (بخش آغازین تیغه) مراحل پیشروی-پسروی یا بال-پایین رفتن را انجام دهد. در این آرایش تیغه حتماً باید از جنس کامپوزیت یا الیافی با سختی بسیار زیاد ساخته شود و همچنین یاتاقان‌های الاستومر برای ایجاد خمش‌پذیری به کار رود. در گذشته نیاز بود که لولاهای توانمند و سرسخت برای اتصال‌های پروانه به کار برود تا از شکستن و جداشدن تیغه‌ها جلوگیری شود ولی در این آرایش همهٔ ضربه‌ها توسط بخش خمش‌پذیر تیغه‌ها جذب می‌گردد.Connor, R. نتیجهٔ این آرایش این است که توپی کوچکتر و سبک‌تر طراحی خواهد شد و از این رو، پروانه‌های بالگرد گوش‌به‌فرمان خواهند شد و به سرعت به دستورهای خلبان واکنش نشان می‌دهند و در انجام دستورهای خلبان تأخیر نخواهند داشت که در آرایش تمام لولایی شاهد آن هستیم.Cox, Taylor. برخی پروانه‌های امروزی ممکن است در کنار تیغه‌های خمش‌پذیر، دارای یک توپی خمش‌پذیر نیز باشند که باعث می‌شود توپی بدون نیاز به هرگونه لولا یا یاتاقان بر سر جای خود تکان بخورد یا زاویه‌دار گردد. بلبرینگ‌های الاستومر از مواد پلاستیک فشرده ساخته می‌شوند که البته باعث می‌شود دامنه خمش‌پذیری کمی داشته باشند ولی برای بالگردها مناسب است. بلبرینگ‌های الاستومر و بالبرینگ‌های خمش‌پذیر نیازی به گریس‌کاری ندارند و بنابراین نیاز کمتری به نگهداری و تعمیر خواهند داشت. بسیاری از بالگردها یک دور موتور پایدار دارند؛ بنابراین تنها راه برای افزایش یا کاهش نیروی برآر، تغییر دادن زاویه حملهٔ تیغه‌هاست. سواش‌پلیت دارای دو بخش است که بخش درونی آن به کاردان دکل متصل شده‌است و با همان سرعت می‌گردد. آنان به این نتیجه رسیدند که در بالگردهایی با پروانهٔ دوتیغه می‌توان با بهره‌گیری از دو میله و دو وزنه، پایداری پرواز را افزایش داد. این میله‌ها و وزنه‌های پایدارکننده موجب می‌شوند که بالگرد فرمان‌پذیری بهتری از کابین خلبان داشته باشد و پایداری بیشتری در بادها از خود نشان دهد. استنلی هیلر، مهندس سرشناس آمریکایی و بنیانگذار هواگردسازی هیلر این ایده را ادامه داد. او با افزودن ماهی‌واره‌هایی به دو میلهٔ پایدارکننده، نه‌تنها توانست پایداری را افزایش دهد بلکه از آن بعنوان یک ضربه‌گیر لنگر در هنگام حرکت کردن سکان خلبان بهره گیرد. در سالهای بعد شرکتهای بالگردسازی بل و هواگردسازی لاکهید از این ایده‌ها در بالگردها و محصولات خود بهره بردند. جایگزین این ابزار فیزیکی، یک عدد ریزکنترل‌گر با حسگر چرخش‌نما و حسگر ونتوری است. | ## بخش 3: چرخانه اصلی بالگرد | مزیت فناوری نوین نسبت به قطعه‌های مکانیکی این است که وزن بالگرد را کاهش داده و هزینهٔ نگهداری و همگامسازی را کاهش می‌دهد. حتی در بالگردهای رادیوکنترل که دارای میلهٔ پایدارکننده هستند نیز باید یک عدد چرخش‌نما بر روی هر محور نصب شود. در هنگامی که سرعت رو به جلو افزایش یابد، سرعت تیغهٔ پیشرو به سرعت صوت نزدیک می‌شود. برای برطرف کردن این مشکل باید سرعت گردش پروانه را کاهش داد که باعث می‌شود بالگرد با سرعت بیشتری پرواز نماید. برای نمونه در بالگردهای معمولی برای کاهش نیروی برآر، خلبان از اهرمی به نام «کولکتیو» (اهرم همگامساز ایستا) استفاده می‌کند تا با کاهش یا افزایش زاویه حملهٔ تیغه‌ها، نیروی برآر را تغییر دهد. خلبان اهرم را تا انتها پایین می‌برد و در این هنگام پروانه با سرعت سابق می‌گردد ولی لبه حملهٔ تیغه‌ها هستند که بصورت افقی با سطح زمین حرکت کرده و دیگر نیروی برار ایجاد نمی‌کنند. بعبارت دیگر سوخت به همان میزان مصرف می‌شود که در گذشته می‌شد و کاهش سرعت رو به جلوی بالگرد درواقع بوسیلهٔ کاهش نیروی برآر انجام می‌شود؛ ولی در شیوهٔ پروانه‌های آرام‌شونده، در هنگامی که نیاز نباشد، سرعت دور موتور کاهش می‌یابد که از این رو موجب کاهش مصرف سوخت نیز می‌شود. در این نوع از بالگردها، برای خنثی‌سازی گشتاور وارد شده به بدنهٔ بالگرد، به یک پروانهٔ دُم نیاز است. پروانه دُم توسط ایگور سیکورسکی اختراع شد و برای نخستین بار در بالگرد ووت-سیکورسکی وی‌اس-۳۰۰ به کار رفت و در ادامه به یک طرح متعارف برای بالگردها تبدیل شد. پروانهٔ بسیاری از بالگردهای تک‌پروانهٔ جهان ازجمله بالگردهای آمریکایی چپ‌گرد هستند یعنی در جهت وارونهٔ عقربه‌های ساعت می‌چرخند؛ ولی بالگردهای روسی و فرانسوی و محصول مشترک فرانسه و چین راست‌گرد هستند و در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخند. برای چیره شدن بر این گشتاور، به یک پروانهٔ ضدگشتاور نیاز است تا نیروی کافی برای پایدار نمودن بدنه و جلوگیری از گردش آن به دور خود فراهم شود. این پروانه دُم خواه بصورت عمودی یا شیبدار بر روی دُم نصب می‌شود و موقعیت و گرانیگاه آن باعث می‌گردد که بتواند به‌سادگی گشتاور پروانه اصلی را خنثی نماید. پروانه دم بالگرد دارای ترکیب‌بندی ساده‌تری نسبت به پروانه اصلی است، زیرا تنها دارای تنظیمات همگامساز ایستا (کولکتیو) است که زاویه حمله را تغییر می‌دهد. این پروانه نه‌تنها جلوی گردش بالگرد به دور خود را می‌گیرد، بلکه یک روش کنترلی برای بالگرد محسوب می‌شود که خلبان می‌تواند بدنهٔ بالگرد را حول محور عمود با زمین به دور خود بچرخاند. به‌گونه‌ای که اگر خلبان پدال راست را فشار دهد، بالگرد در راستای محور عمودی در جهت راست می‌چرخد و اگر پدال سمت چپ فشرده شود، بالگرد در راستای عمودی به سمت چپ می‌چرخد. در حال حاضر سه سامانهٔ رایج برای فراهم نمودن نیروی ضدگشتاور در دم بالگردهای تک‌پروانه به کار می‌رود که شامل دم معمولی، دم فنسترون و دم بی‌پروانه هستند. بالگردهای دوپروانه بالگردهای دوپروانه دارای دو عدد پروانه هستند که خلاف جهت گردش یکدیگر می‌گردند؛ بنابراین یک پروانه چپ‌گرد و دیگری راست‌گرد است و گشتاور یکدیگر را خنثی می‌کنند و چنین بالگردی دیگر نیاز به پروانهٔ دم ندارد. این ویژگی باعث می‌شود که نیروی موتور این بالگردها برای گرداندن پروانهٔ دم هدر نرود و همهٔ نیروی موتور به پروانه‌های اصلی داده شود که موجب می‌شود نیروی برآر در این بالگردها بسیار زیاد باشد. در مجموع چهار نوع ترکیب‌بندی پروانه‌های دوتایی وجود دارد که شامل آرایش‌های پروانه‌های پشت سرهم، پروانه‌های تداخلی، پروانه‌های هم‌محور و پروانه‌های عرضی هستند. این آرایش در پهپادها رایج است و به دلیل سادگی در طراحی مزیتی دارد که موجب کاهش بازه تعمیر می‌شود. به عبارت دیگر دارای هیچگونه قطعهٔ متحرک و میله‌های نگهدارنده نیستند و پروانه‌های آنها ایستا و بدون تکان هستند. به دلیل اینکه این بالگردها سواش‌پلیت ندارند، توانایی تغییر زاویهٔ حرکت و بالارَوی-پایین‌رَوی پروانه را ندارند. برای حرکت رو به جلو، عقب و دوطرف و همچنین بالا و پایین رفتن این گونه از بالگردها از روش برنامه‌ریزی کامپیوتری و تغییر گشتاور ملخ‌ها استفاده می‌شود. برای افزایش ارتفاع نیروی بیشتری به پروانه‌ها داده می‌شود تا نیروی برآر افزایش یابد و بالگرد بالا برود و برعکس. همچنین برای حرکت مختصاتی، برای نمونه برای حرکت به جلو، دو پروانهٔ جلو مقداری از گشتاور خود را کاهش می‌دهند و نیروی برآر آن دو کم می‌شود تا دماغهٔ بالگرد پایین بیاید و نیروی برآر بصورت شیب‌دار (مایل) فراهم شود که موجب می‌شود بالگرد رو به جلو پرواز کند؛ درست است که در این حالت بالگرد رو به جلو پرواز می‌کند، ولی به دلیل این کاهش نیرو و همچنین حرکت رو به جلو، ارتفاع از دست خواهد داد؛ بنابراین دو پروانهٔ عقب باید قدرت بیشتری نسبت به حالت هاور کردن فراهم کنند تا این کمبود جبران شود و حرکت رو به جلو بدون افت ارتفاع باشد. خطرها و محدودیت‌های بالگردها بالگردهای تک‌پروانه‌ای که تیغه‌هایشان به صورت الاکلنگی حرکت می‌کنند برای نمونه بالگردهای دوتیغهٔ شرکت بل هلیکاپتر و رابینسون هلیکاپتر محدودیت‌های حرکتی بسیاری دارند. به دلیل محدودیت‌هایی که این نوع پروانه‌ها ایجاد می‌کنند، نباید در شرایط حالت کم‌گرانش و هرزگردی قرار بگیرند و خلبان نباید مانورهای سنگین با بالگرد انجام دهد. در صورتی که این بالگردها با مانورهای شدید و واکنش سریع سکان خلبان روبرو شوند، ممکن است دم بالگرد به سمت پروانه اصلی گرایش پیدا کرده و با نوک آن برخورد نماید یا ریشهٔ تیغه‌ها با بدنهٔ نزدیک دکل برخورد کند که موجب می‌شود تیغه‌ها از توپی جدا گردند یا بدنه را متلاشی کنند. سایش در محیط‌های شنی و خاکی در محیطهای شنی، شن بلند شده به هوا با تیغه‌های پروانه برخورد کرده و سطح آن را می‌سایند که در گذر زمان باعث آسیب‌دیدگی تیغه و افزایش هزینهٔ تعمیر می‌شود. برای جلوگیری از این مشکل، یک لایه از مواد ضدسایش بر روی تیغه کشیده می‌شود که معمولاً از جنس تیتانیوم یا نیکل است. این مواد بسیار سخت هستند، ولی هنگامی که بالگرد در محیط شنی در ارتفاع پایین حرکت می‌کند تعداد شن‌های به هواخاسته بسیار زیاد است و تیتانیوم و نیکل نیز توانایی مقاومت در برابر حجم گستردهٔ شن‌ها را ندارند و دچار ساییدگی می‌شوند. | ## جمع‌بندی | برخورد شن‌ها در شب موجب می‌شود که یک هاله شن زیبا در اطراف تیغه ایجاد شود که با چشم غیرمسلح قابل دیدن است.