Kan jag bara konstruera en helikopter med fasta rotorblad (ingen bladvinkel / flik / höjd)?

Skalningslagar är din fiende här.

Modellhelikoptrar kan styras med förändringar i rotationshastigheten, men för helikoptrar i full storlek behöver den energi som behövs för att snabbt ändra rotorns varvtal i förhållande till den energi som behövs för att skapa lyft, vara alltför hög. I detalj:

inertimoment av en uppskalad rotor ändras med den femte kraften av längd . Rotorns massa förändras med den linjära skalans kub, och tröghetsmomentet lägger till en annan faktor som är proportionell mot kvadraten av linjär skala.

Ett större objekt behöver också långsammare förändringar, men tidsskalor är bara med kvadratroten av linjär skala. Därefter ska motorns effekt som är tillgänglig för hastighetsändringar skala med kubens skala, parallellt med massan. Detta leder till ett underskott på 1½ krafter i motorkraften som är tillgänglig för hastighetsändringar när helikoptern är uppskalad.

Lyftasymmetrier i framflyttning kan hanteras genom att lägga till en andra, roterande rotor, men skalningslagar kan inte utformas. Som Jan Hudec påpekar måste du repetera samma trick för framåtriktad lyftbyte, så fyra rotorer skulle vara minsta för att styra denna typ av helikopter i alla riktningar.

that can not flap or pitch or adjust otherwise?

Ja, du kan utforma en sådan, men du får inte många att flyga.

I de tidiga dagarna av helikopterflygning inträffade ett antal kraschar innan designarna började redogöra för problemet med olika luftflöden över återflyttningen och framflyttningen i framflyttningen. Om du inte ändrar stigvinkeln ändras hissen ständigt med förändringen av flyghastigheten som kommer över flygplattan.

Utanskiftbyte(kalladfjädring)kommerduattständigtbytalyftvärdeniställetförenstabil"skiva" som gör helikoptern kontrollerbar. På bilden ovan skulle bladen på den "röda" sidan ha mer hiss än på den "blåa" sidan, så helikoptern skulle naturligtvis rulla eller kasta med en starkare rullande rörelse ju snabbare framåt du går. Flapping är en reaktion på höjden ökar när bladet förflyttas och behövs för att undvika samma slags obalans mellan framåtgående och returering av blad. (Att få det rätt är några seriösa ingenjörs-, test- och utvecklingsarbeten). Det tar också upp det faktum att du inte har ett perfekt bladspår, och därmed kommer du att "flyga" varje blad i virvlarna på den som föregår den.

Ja, styrbarhet kan till och med uppnås med endast en (styv) rotor.

Grader av frihet

I ett tredimensionellt utrymme finns i allmänhet sex grader av frihet (DoF):

De flesta flygplan tillåter motorvarvtal och hastighet att styras separat (rörlig propeller / rotor med variabel höjd) som en sjunde DoF.

Flermotoriga flygplan kan ha ännu fler grader av frihet. I din föreslagna helikopterdesign kan piloten endast använda huvud- och svansrotorvarvtal för att styra sju DoF.

Hur kontrollerar du sju DoF med bara två spakar?

Visas kan du inte. Åtminstone inte självständigt. Vi måste offra några av dem självständigt.

5 DoF

Den mest uppenbara sak att falla är oberoende av horisontell rörelse och attityd. För att flytta horisontellt kan vi bara rulla / kasta hela helikoptern i önskad riktning och applicera uppåtgående kraft. De flesta verkliga världshelikoptrar använder denna konfiguration.

4 DoF

När vi inte är begränsade av rotorns spetshastighet, tröghetsmomentet eller motorens användbara varvtal, kan vi släppa deras oberoende nästa. Detta är fallet med de flesta elektriska RC-helikoptrar. Quadcopters har till exempel fyra kontrollinmatningar (de fyra motorns ströminställningar) och möjliggör sålunda oberoende kontroll över de fyra återstående DoF:

Andra 4 DoF-konfigurationer, som två koaxialrotorer plus cyklisk tonhöjd och roll, uppnår samma nivå av styrbarhet.

3 DoF

Nästa sak som vanligtvis offras är förmågan att utföra samordnade varv. Många fastflygplan RC-flygplan har inte ailerons och tillåter sålunda endast skidvarv, men är ganska välskötta på annat sätt och fortfarande lätt att flyga. Detsamma gäller helikoptrar, så vi dike cyklisk rullkontroll.

2 DoF

Det blir lite svårare nu. Vi hade minskat vår helikopter till tre kontrollingångar (huvudrotorvarvtal, svansrotorvarvtal, cyklisk tonhöjd) och det var fortfarande ganska skickligt och användbart. Nu förlorar vi något värdefullt: förmågan att contol framåt hastighet. Vi fixerar huvudrotorn i ett något framåtriktat läge, så vår helikopter rör sig långsamt framåt hela tiden, precis som en gyroopter. Vi kan inte sväva på plats längre eller flyga snabbt, och vi behöver en bana för att ta av och landa. Vi når ändå ändå vår destination.

1 DoF

saker. Bli. Otäck.

När vi ger upp vår svansrotor börjar helikoptern att vända sig om sig själv med hög hastighet. En mänsklig pilot kommer inte att hålla den under kontroll, och passagerarna kommer inte heller njuta av det. Det är dock fortfarande möjligt att flytta den på ett koordinerat sätt: varje gång helikoptern pekar i önskad riktning ökar vi kraften snabbare, vilket gör det lite snabbare framåt och vice versa. Modulerande kraft betyder att helikoptern kommer kraftigt att röra sig upp och ner, men genomsnittlig kraft över en full tur gör det möjligt för oss att styra sin genomsnittliga höjd. Som redan nämnts möjliggör tidpunkten och storleken av kraftvariationerna positionjusteringar.

En sådan helikopter har faktiskt byggts av ETH Zürich. Njuta.

Det är verkligen möjligt. En av de första helikoptrarna var Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ 2-helikoptern, utrustad med två kontraroterande koaxialrotorer som hade fasta blad, utan några bestämmelser för flapping eller pitch-förändring:

länk

Ja och nej

Jag har aldrig sett en sådan design för en stor helikopter men det finns massor av mikrostorlek-RC-helikoptrar som använder ett sådant system med hjälp av ett par kontra-roterande huvudrotorer och en mindre svansrotor för att reglera stigningen.

Denna typ av design fungerar bra, om än svårt att kontrollera för Palm-storlek leksaker, men det går inte bra för större fordon.

Först och främst, samtidigt som konstruktionen erbjuder yaw och pitch-kontroll, erbjuder det inte ett sätt att rulla kontrollflygning - och i synnerhet sväva - mycket svårare. För det andra är helikoptrar konstruerade med rotorblad som kan böja, klappa och fjädrar för att dämpa vibrationer och ge en jämnare körning med mindre risk för strukturell skada från turbulens, misshandel mm än en fast rotortillverkning.

Det finns också problem med kryssning med lyftasymmetri över rotorskivan, det skulle skapa oönskade rullmoment som designen inte kunde klara av, som nämnts ovan.

Var vänlig och se den japanska produkten Gen H-4 som inte har någon pitchkontroll utan endast hastighetsreglering - det är för differenshastighet för att ta hand om yaw. Detta unika system har inte bara svansrotor utan även svansbommen.