کلیپ ساختار و مکانیسم کلی جایروپلن
ساختار و تاریخچه جایروپلن
هواچرخ یا جایروکوپتر یا اتوجایرو یا جایروپلن (به اختصار جایرو)
پروانه بزرگ هواچرخ هرزگرد است و به هیچگونه موتوری اتصال ندارد بلکه پروانهٔ کوچک به موتور متصل است و با چرخش این پروانه، وسیله را فقط به جلو هل می دهد این کار عامل پدید آمدن جریان باد نسبی شده و پروانهٔ بزرگ را می‌چرخاند تا نیروی برآر تولید شود.
پروانه بزرگ هواچرخ هرزگرد است و به هیچگونه موتوری اتصال ندارد بلکه پروانهٔ کوچک به موتور متصل است و با چرخش این پروانه، وسیله را فقط به جلو هل می دهد این کار عامل پدید آمدن جریان باد نسبی شده و پروانهٔ بزرگ را می‌چرخاند تا نیروی برآر تولید شود.
هواچرخ نوعی هواگرد با بال متحرک است. در هواچرخ، برخلاف بالگرد، نیروی موتور فقط صرف پیشراندن می‌شود و نیروی لیفت در اثر جریان هوائی که به بال یا پروانه می‌وزد و آن را به گردش درمی‌آورد ایجاد می‌شود. شکل ظاهری هواچرخ بسیار شبیه به بالگرد است ولی از نظر اصول پرواز با آن تفاوت دارد. پروانه بزرگ در هواچرخ همواره در شرایط خودگردی است و به‌همین دلیل حتی اگر موتور خاموش شود هواچرخ نیروی لیفت را تولید میکند و دچار واماندگی نمی‌شود. بعبارت دیگر برخلاف بالگردها، در هواچرخ هیچگونه گیربکسی بین موتور پیشران و ملخ هرزگرد وجود ندارد تا خلبان با غیرفعال کردن آن گیربکس فاز خودگردی را آغاز کند.
برخلاف بالگردها، در این وسیله هوا باید از پایین به بالای پروانه بزرگ جریان داشته باشد. این وسیله توسط یک مهندس اسپانیایی به نام جان دیلا سروا اختراع شد هدف وی اختراع یک هواپیما بود تا پروازی مطمئن و ایمن در سرعت‌های پایین داشته باشد. اولین پرواز هواچرخ در ۹ ژانویه ۱۹۲۳ از فرودگاه کواترو وینتوس در مادرید بود. موارد استفاده از این وسیله امروزه در پروازهای تفریحی، سم‌پاشی مزارع و غیره میباشد.
وجه تمایز
اگر چه هواچرخ ها از نظر نحوه کنترل در بسیاری موارد شرایط یکسانی با هواپیما ها دارند و هر دو آنها بصورت عمومی روی آنها ابزار های کنترلی مانند استیک کنترل ، اهرم گاز و پدال های سکان عمودی وجود دارد اما هواچرخ دارای قابلیت و مانوورهای خاصی است که این وسیله را کاملا متمایز می کند خلبان هوا چرخ می تواند گردش هایی با زاویه و شیب تند باکمترین فشار جی، انجام دهد شاید این وجه تمایز قابل توجه برخی قرار نگیرد اما چنانچه یک هواپیما بخواهد گردش مشابهه ای انجام دهد ضمن اینکه نفس هواپیما را می گیرد خلبان را نیز وارد توفیق اجباری برای لذت بردن از فشار جی میکند
کلیپ مربوط به گردش و مانورهای هواچرخ
تیغه های روتور
تیغه های روتور یک هواچرخ برای رسیدن به همان اثر شکل می گیرند و در یک زاویه کم در حدود دو درجه نسبت به سطح افقی که در آن می چرخند قرار می گیرند. شکل یک ایرفویل است که تیغه ها را قادر می سازد به جای اینکه توسط آن به اطراف فشار داده شوند، به جریان هوا تبدیل شوند.
هنگام چرخش سریع، این تیغه‌های روتور نیروی قابل توجهی تولید میکنند که وسیله را به سمت بالا میکشد . مقدار بالابر ایجاد شده بستگی به سرعت هوای روتورها و مقاومتی که تیغه های چرخان به جریان هوای عبوری از آنها می دهند دارد. در عمل نیروی بالابر مورد نظر تنها زمانی تولید می شود که سرعت تیغه از سرعت رو به جلوی دستگاه بیشتر شود.
چرخش خودکار با سابقه چند میلیون سالی
چرخش خودکار
حرکت روتور و تولید نیروی لیفت ، کاملاً به چرخش خودکار بستگی دارد، که ناشی از حرکت جریان هوا و از میان پره‌های روتور به سمت بالا شکل می گیرد مولفه نیروی لیفت کمی به جلو متمایل می شود و محرک حرکت وسیله به جلو میگردد.
طبیعت میلیون‌ها سال است که اصل چرخش خودکار را به کار می‌برد که در پرواز چرخشی دانه افرا هنگام افتادن روی زمین دیده می‌شود. چرخش خودکار فرود آن را کند می کند و با وزش باد فرصت بیشتری برای پراکنده شدن دانه ها در منطقه وسیع تری حاصل می شود .
دانه چرخان افرا
کلیپ آنالیز چرخش دانه افرا
ایده آسیاب بادی پرنده
آسیاب بادی احتمالاً اولین اختراع بشر بود که از چرخش خودکار با مهار باد برای ایجاد حرکت چرخشی استفاده کرد. ایده آسیاب بادی پرنده، که در آن بادبان‌های چرخان، باد را برای بلند کردن دستگاه تولید می‌کردند، شیفتگی خاصی به مخترعان داشت و در میان هزاران نقاشی لئوناردو داوینچی، ایده‌ای برای پرواز در این خطوط است. با این حال، امکان واقعی دستیابی به چنین ماشینی تا ساخت ایرفویل و هواپیمایی که این دستگاه را در خود جای داده بود به تعویق افتاد.
آسیاب بادی اساساً یک پیچ هوا یا ملخ است که به صورت معکوس کار می کند، به طوری که هوای جاری بر روی بادبان ها توسط آنها منحرف می شود و نیرویی به بادبان ها وارد می کند و آنها را به اطراف هل می دهد. بادبان‌ها عملاً «جای خود را به باد می‌دهند» و توسط باد رانده می‌شوند.
با این حال، در اوایل قرون وسطی، متوجه شد که اگر بادبان در یک زاویه مسطح نسبت به باد قرار می‌گیرد، می‌تواند برخلاف جریان هوا بچرخد و در نتیجه به سمت باد کشیده شود. اصل در اینجا مانند یک کشتی بادبانی است که می تواند در نزدیکی باد «چسب» شود، به این معنی که اگر بادبان ها به درستی تنظیم شده باشند، می تواند برخلاف باد، با زاویه کم نسبت به آن به جلو حرکت کند. تقریباً به همان روشی که یک گلایدر هنگام فرود در هوا به جلو حرکت می کند.
تاریخچه و عملکرد جایرو 1931
اجزای تشکیل دهنده هواچرخ
اجزاء
اگرچه جایروپلن ها در پیکربندی های مختلفی طراحی می شوند، در بیشتر موارد اجزای اصلی یکسان هستند. حداقل اجزای مورد نیاز برای یک هواچرخ قابل پرواز عبارتند از بدنه ، موتور، سیستم روتور، سطوح دم و ارابه فرود. [شکل 15-2]
در برخی از طرح ها برای اهداف و عملکردهای خاص بال نیز گنجانده شده است.
در برخی از طرح ها برای اهداف و عملکردهای خاص بال نیز گنجانده شده است.
بدنه یا پیکره اصلی
بدنه هواپیما ساختاری را فراهم می کند که تمام اجزای دیگر به آن متصل می شوند. بدنه های هوا ممکن است لوله های جوشی، ورق فلزی، کامپوزیت یا به سادگی لوله هایی باشند که به یکدیگر پیچ شده اند. ترکیبی از روش های ساخت و ساز نیز ممکن است به کار گرفته شود. بدنه‌های هوا با بیشترین نسبت استحکام به وزن، یک ماده فیبر کربنی یا ساختار لوله‌ای جوش داده شده است که برای چندین سال مورد استفاده قرار گرفته است.
موتور
نیروگاه نیروی رانش لازم برای پرواز رو به جلو را فراهم می کند و در حین پرواز مستقل از سیستم روتور است. در حالی که روی زمین است، موتور ممکن است به عنوان منبع نیرو برای پیش چرخاندن سیستم روتور استفاده شود. طی سالیان متمادی توسعه ژیروپلن، انواع مختلفی از موتورها با جایروپلن سازگار شده اند. موتورهای خودرو، دریایی، ATV و هواپیماهای دارای گواهینامه همگی در طرح‌های ژیروپلن مختلف استفاده شده‌اند. برای استفاده از موتورهای دارای گواهینامه FAA، هواپیماهای جایروپلن دارای گواهینامه مورد نیاز هستند. هزینه یک موتور هواپیمای جدید با گواهینامه بیشتر از هزینه تقریباً هر موتور جدید دیگری است. این هزینه اضافی دلیل اصلی انتخاب انواع دیگر موتورها برای استفاده در هواپیماهای ژیروپلن آماتور است.
سیستم روتور
سیستم روتور بالابر و کنترل هواچرخ را فراهم می کند. سیستم های روتور تترینگ کاملاً مفصلی و نیمه صلب رایج ترین هستند. اینها به طور عمیق در فصل 5 - سیستم روتور اصلی توضیح داده شده است.
تیغه تتر با کنترل شیب توپی در ژیروپلن های خانگی رایج ترین است. این سیستم همچنین ممکن است از یک کنترل جمعی برای تغییر گام پره های روتور استفاده کند. با اینرسی کافی تیغه و تغییر گام جمعی، می توان جهش را انجام داد.
سطوح دم
سطوح دم، ثبات و کنترل را در محورهای عرضی و عمودی فراهم می کنند. این سطوح دم شبیه به خروجی هواپیما هستند و ممکن است از یک باله و سکان، تثبیت کننده و بالابرنده تشکیل شده باشند. یک مجرای پشتی که پروانه و سکان را در بر می گیرد نیز استفاده شده است.
برخی از هواچرخ ها دارای سکان افقی نیستند.
در برخی از موارد به ویژه آنهایی که کابین خلبان دارند، به دلیل ناحیه بزرگ کناری بدنه که جلوتر از مرکز ثقل قرار دارد، پایداری انحراف در حاشیه است. دستیابی به سطح دم عمودی اضافی لازم برای جبران این ناپایداری دشوار است
محدودیت های شیب روتور و نگرش زمین فرود بالا، منطقه موجود را محدود می کند. برخی از طرح‌های ژیروپلن از تثبیت‌کننده‌های عمودی و سکان‌های متعددی برای افزودن پایداری انحراف بیشتر استفاده میکنند.
موتور
نیروگاه نیروی رانش لازم برای پرواز رو به جلو را فراهم می کند و در حین پرواز مستقل از سیستم روتور است. در حالی که روی زمین است، موتور ممکن است به عنوان منبع نیرو برای پیش چرخاندن سیستم روتور استفاده شود. طی سالیان متمادی توسعه ژیروپلن، انواع مختلفی از موتورها با جایروپلن سازگار شده اند. موتورهای خودرو، دریایی، ATV و هواپیماهای دارای گواهینامه همگی در طرح‌های ژیروپلن مختلف استفاده شده‌اند. برای استفاده از موتورهای دارای گواهینامه FAA، هواپیماهای جایروپلن دارای گواهینامه مورد نیاز هستند. هزینه یک موتور هواپیمای جدید با گواهینامه بیشتر از هزینه تقریباً هر موتور جدید دیگری است. این هزینه اضافی دلیل اصلی انتخاب انواع دیگر موتورها برای استفاده در هواپیماهای ژیروپلن آماتور است.
سیستم روتور
سیستم روتور بالابر و کنترل هواچرخ را فراهم می کند. سیستم های روتور تترینگ کاملاً مفصلی و نیمه صلب رایج ترین هستند. اینها به طور عمیق در فصل 5 - سیستم روتور اصلی توضیح داده شده است.
تیغه تتر با کنترل شیب توپی در ژیروپلن های خانگی رایج ترین است. این سیستم همچنین ممکن است از یک کنترل جمعی برای تغییر گام پره های روتور استفاده کند. با اینرسی کافی تیغه و تغییر گام جمعی، می توان جهش را انجام داد.
سطوح دم
سطوح دم، ثبات و کنترل را در محورهای عرضی و عمودی فراهم می کنند. این سطوح دم شبیه به خروجی هواپیما هستند و ممکن است از یک باله و سکان، تثبیت کننده و بالابرنده تشکیل شده باشند. یک مجرای پشتی که پروانه و سکان را در بر می گیرد نیز استفاده شده است.
برخی از هواچرخ ها دارای سکان افقی نیستند.
در برخی از موارد به ویژه آنهایی که کابین خلبان دارند، به دلیل ناحیه بزرگ کناری بدنه که جلوتر از مرکز ثقل قرار دارد، پایداری انحراف در حاشیه است. دستیابی به سطح دم عمودی اضافی لازم برای جبران این ناپایداری دشوار است
محدودیت های شیب روتور و نگرش زمین فرود بالا، منطقه موجود را محدود می کند. برخی از طرح‌های ژیروپلن از تثبیت‌کننده‌های عمودی و سکان‌های متعددی برای افزودن پایداری انحراف بیشتر استفاده میکنند.
تاریخچه اختراع و پرواز جایرو
9 ژانویه 1923 اولین پرواز رسمی هواچرخ بود. این وسیله پرنده که توسط Juan dela Cierva طراحی شده بود، فناوری روتور را معرفی کرد که امکان پرواز به جلو را در یک روتورکرافت فراهم می کرد. تا آن زمان، طراحان هواپیمای بال چرخشی با مشکل عدم تعادل به هنگام شروع حرکت وسیله به جلو ، دچار مشکل می شدند. این لحظه بحرانی محصول جریان هوا بر روی دیسک روتور بود که باعث افزایش لیفت روی تیغه پیشرو و کاهش نیروی لیفت روی پره پس رو بود. طراحی 
موفق Cierva، C.4، روتور مفصلی را معرفی کرد، که تیغه‌ها روی آن لولا شده بودند و اجازه می‌دادند که تغییر زاویه دهند. این راه حل به تیغه در حال پیشروی اجازه می دهد تا به سمت بالا حرکت کند، زاویه حمله را کاهش دهد، در حالی که تیغه عقب نشینی به سمت پایین حرکت می کند و زاویه حمله را افزایش می دهد. نتیجه بالا بردن متعادل در سراسر دیسک روتور بدون توجه به جریان هوا بود. این پیشرفت در موفقیت هلیکوپتر مدرن، که بیش از 15 سال بعد ساخته شد، بسیار مؤثر بود.
موفق Cierva، C.4، روتور مفصلی را معرفی کرد، که تیغه‌ها روی آن لولا شده بودند و اجازه می‌دادند که تغییر زاویه دهند. این راه حل به تیغه در حال پیشروی اجازه می دهد تا به سمت بالا حرکت کند، زاویه حمله را کاهش دهد، در حالی که تیغه عقب نشینی به سمت پایین حرکت می کند و زاویه حمله را افزایش می دهد. نتیجه بالا بردن متعادل در سراسر دیسک روتور بدون توجه به جریان هوا بود. این پیشرفت در موفقیت هلیکوپتر مدرن، که بیش از 15 سال بعد ساخته شد، بسیار مؤثر بود. در 2 آوریل 1931، اتوژیرو PCA-2 Pitcairn گواهی نوع شماره 410 دریافت کرد و اولین هواپیمای بال چرخشی بود که در ایالات متحده گواهینامه دریافت کرد. اصطلاح "اتوژیرو" برای توصیف این نوع هواپیما استفاده می شد تا اینکه FAA بعدا آنها را "جایروپلن" نامید. (نام فارسی آن هواچرخ است )
تعریف هواچرخ
طبق تعریف، هواچرخ هواپیمایی است که با یک روتور چرخان آزاد به بلند شدن دست می یابد. "gyrodyne" یک روتورکرافت هیبریدی است که می تواند معلق باشد و در عین حال چرخش خودکار را انجام دهد. اولین نمونه موفق از این نوع هواپیما، در سال 1958 گواهینامه حمل و نقل دریافت کرد. در طول دهه 1960 و 1970، محبوبیت هواپیماهای جایروپلن با گواهی McCulloch J-2 و Umba ugh افزایش یافت.
انواع هوچرخ
از آنجایی که روتور چرخان آزاد نیازی به دستگاه ضد گشتاور ندارد، یک روتور منفرد قابل پیکربندی میباشد. تیغه های ضد چرخش مزیت خاصی ندارند. سیستم روتور مورد استفاده در هواچرخ ممکن است هر تعداد تیغه داشته باشد، اما محبوب ترین آنها سیستم های دو و سه تیغه هستند.
پیشرانه هواچرخ ممکن است کشنده یا هل دهنده باشد، به این معنی که موتور ممکن است در جلو نصب و یا در پشت وسیله نصب شوند .
با این حال، پیکربندی هل دهنده به طور کلی به دلیل قرار گرفتن سکان در جریان هوای پروانه، مانور بیشتری دارد و همچنین دارای مزیت دید بهتر برای خلبان است.
ارابه فرود
ارابه فرود در هنگام روی زمین تحرک را فراهم می کند و ممکن است معمولی یا سه چرخه باشد. دنده معمولی از دو چرخ اصلی و یکی زیر دم تشکیل شده است. پیکربندی سه چرخه نیز از دو استفاده می کند
برق، با چرخ سوم زیر دماغه. اتوژیروهای اولیه و همه مدل‌های جایروپلن از دنده‌های معمولی استفاده میکنند، در حالی که بیشتر جایروپلن‌های بعدی از ارابه فرود سه چرخه استفاده میکنند. همانند هواپیماهای بال ثابت، ارابه فرود جایروپلن تحرک زمینی را فراهم می کند که در بیشتر هلیکوپترها یافت نمی شود.
بال
بالها ممکن است جزء ژیروپلن باشند یا نباشند. هنگامی که مورد استفاده قرار می گیرند، عملکرد را افزایش می دهند، ظرفیت ذخیره سازی را افزایش می دهند و ثبات را افزایش می دهند. جایروپلن ها با بال هایی در دست توسعه هستند که می توانند تقریباً به طور کامل سیستم روتور را تخلیه کنند و کل وزن هواپیما را حمل کنند. این امکان عملکرد تیک آف بال چرخشی با سرعت کروز بال ثابت را فراهم می کند. [شکل 15-3]
