Elicopterul de mare viteză

Elicopterul este o mașină de zbor minunată, fără de care nu ne-am putea imagina civilizația modernă (citește aici istoria elicopterului). Capabil să aterizeze și să decoleze vertical, putând staționa în zbor la punct fix, elicopterul își găsește numeroase utilizări, atât în domeniul militar cât și în cel civil.

Au trecut multe decenii de când aceste mașini de zburat au trecut de faza experimentală, devenind operaționale. Am putea crede că perfecționările succesive au adus elicopterul la un maximum de performanțe posibile, dar nu este așa. Elicopterul clasic are o limitare fundamentală: zboară prea lent. În anumite situații, această limitare devine un inconvenient major. Ce este de făcut?

Foarte puțină istorie

Elicopterul este o mașină de zburat extrem de complicată, care a parcurs un drum foarte lung de la faza de pionierat, până la primele modelele care stau la baza elicopterelor de astăzi. Aș putea spune că elicopterul este o adevărată minune inginerească în a cărui dezvoltare au contribuit atât niște genii ale aerodinamicii, cât și interesul militarilor pentru a avea aparate de zburat capabile să aterizeze și să decoleze aproape oriunde.

Nu vreau să fac acum o istorie a elicopterului. Voi marca doar două momente. Primul elicopter complet funcțional a fost construit în 1936 de către firma germană Focke Wulf. Este vorba despre modelul Fw 61, care avea să capete mai târziu indicativul F 61. Acest elicopter avea două rotoare portante, situate de o parte și de alta a fuzelajului, care erau antrenate de către un singur motor.

Deși relativ greu de pilotat, acest elicopter a obținut rezultate remarcabile pentru acea vreme. Pe 20 iunie 1938, pilotul Karl Bode a stabilit un record omologat, parcurgând în linie dreaptă distanța de 230,348 km, iar pe 29 ianuare 1939, același pilot a realizat și un record de altitudine: 3.427 m. Au fost realizate doar două prototipuri, Fw 61 neintrând vreodată în producția de serie.

Al doilea moment decisiv pentru istoria elicopterului a avut loc pe 13 mai 1940, când a decolat, pentru prima oară, prototipul VS 600, proiectat de către Igor Sikorsky. Acest prototip era remarcabil, deoarece conținea toate componentele de bază care sunt folosite și acum pentru mai toate elicopterele construite în zilele noastre.

Nici VS 600 nu a intrat în producție de serie, dar pe baza acestui prototip s-a construit modelul Sikorsky R-4, care a fost produs în mai mult de o sută de exemplare și, mai mult, a fost folosit în misiuni de salvare în timpul celui de-al doilea război mondial.

Probleme

Vă spuneam că elicopterul este o mașină de zburat extrem de complicată. Să explic de ce afirm asta. La un elicopter tipic, portanța este asigurată de palele rotorului principal. Acestea ar putea fi descrise ca niște aripi rotative. Faptul că avem de-a face cu niște suprafețe portante care se rotesc aduce cu sine niște probleme.

Probabil că cea mai evidentă dintre ele este legată de faptul că forța aerodinamică generată de fiecare pală variază pe parcursul rotației. Astfel, atunci când, raportat la direcția de zbor, pala înaintează, vom avea o forță aerodinamică mai mare decât atunci când pala se retrage. În primul caz, la viteza tangențială se adaugă viteza de zbor, iar în al doilea caz, din viteza tangențială se scade viteza de zbor. Din acest motiv, dacă nu se iau măsuri constructive, elicopterul nu ar putea zbura orizontal, fără să devină instabil.

O a doua problemă este legată de conservarea momentului cinetic, care face ca fuzelajul elicopterului să se rotească în sens invers în raport cu sensul de rotație al palelor rotorului. Pentru a înlătura această problemă este folosită o elice anticuplu, plasată în spatele elicopterului. A treia problemă, cea care limitează strict viteza de zbor a elicopterului, apare atunci când viteza tangențială la capătul palelor se apropie de viteza sunetului. În acest caz apar unde de șoc, care perturbă dramatic curgerea aerului în aceste zone.

Am enunțat numai trei probleme legate de aerodinamica rotorulu elicopterului. Sunt problemele cu care s-au confruntat toți cei care au dorit să construiască aparate de zbor din această categorie și care au întârziat foarte mult construirea unor elicoptere operaționale. Soluțiile constructive care au dus la rezolvarea acestor probleme nu sunt chiar simple. Ele au făcut ca rotorul elicopterului să devină un mecanism extrem de complicat, care solicită nu numai ingeniozitate în proiectare, ci și folosirea unor materiale capabile să reziste în condiții deosebite.

Nu pot să insist acum asupra acestor soluții, important este că ele au fost găsite și că astăzi avem la dispoziție aceste extraordinare mașini de zburat. O problemă rămâne totuși: viteza de zbor. Așa cum spuneam, elicopterele sunt relativ lente. Ce soluții am avea la dispoziție?

O primă soluție: hibridul

Dacă elicopterele pot decola și ateriza pe verticală și pot zbura la punct fix, în schimb sunt lente, în timp ce avioanele sunt rapide, de ce nu am construi o mașină de zbor hibridă, care să combine trăsăturile celor două categorii de mașini de zburat? Este o idee simplu de enunțat dar care a avut de parcurs un drum foarte lung până la materializare.

Este vorba despre V-22 Osprey, dezvoltat de Boeing și Bell, care a intrat în serviciu operațional pentru marina SUA în 2007. Proiectul a fost extrem de costisitor: până în 2008 au fost cheltuite 27,2 miliarde de dolari. La capătul fiecărei aripi V22 Osprey are câte un asamblu rotor-motor turbopropulsor, care se poate roti. Pentru zborul vertical, rotoarele sunt orientate în poziție orizontală, iar atunci când se zboară orizontal, ele sunt orientate în poziție verticală.

Altfel spus, în funcție de regimul de zbor V22 Osprey își schimbă configurația, de la elicopter cu rotoare alăturate, la cea de avion. Astfel el poate decola și ateriza vertical, poate staționa la punct fix și poate atinge viteza de 565 km/h, la altitudinea de 4.600 m.

Dincolo de aceste performanțe, dincolo de ingeniozitatea inginerească implicată în construcția acestui aparat de zbor, în comparație cu un elicopter, V22 Osprey nu este suficient de manevrabil. Din acest motiv el nu poate fi utilizat decât în misiuni de transport de trupe și materiale.

O a doua soluție: elicopterul rapid

În sfârșit, după această introducere, ajung să discut despre tema pe care mi-am propus-o: elicopterul de mare viteză. Am vrut să subliniez faptul că avem de-a face cu probleme inginerești complexe, care impun soluții revoluționare, atunci când dorim să realizăm elicoptere capabile să zboare cu viteze de peste 400 km/h. Uzual, viteza de croazieră a elicopterelor actuale nu depăște 350 km/h.

Una dintre soluțiile revoluționare, despre care vreau să vă vorbesc acum, vine de la firma Sikorsky și poartă numele ”X-2 Technology”. Nu au fost date multe informații despre această nouă tehnologie, dar avem câteva indicii evidente, deoarece această Sikorsky a realizat un demonstrator tehnologic, elicopterul X-2, prin care a fost testat noul concept tehnologic.

Primul lucru care poate fi remarcat este rotorul. Acesta nu mai are un singur rând de pale, ci două. Practic avem două rotoare coaxiale, care se învârt în sensuri contrare. Soluția nu este una nouă, fiind folosită de mai multe decenii. De exemplu, constructorul rus (fost sovietic) a folosit de multă vreme această configurație. Ea are avantajul că înlătură două mari probleme legate de zborul elicopterului: nu mai apare dezechilibrul de forțe aerodinamice pe timpul zborului orizontal și nu mai este necesară elicea anticuplu.

În mod normal, această configurație a rotoarelor elicopterului are dezavantajul că produce o rezistență mare la înaintare, ceea ce limitează viteza de croazieră. Dezavantajul poate fi înlăturat, dacă se apelează la soluția rotorului rigid, în care dispar articulațiile prin care sunt legate palele rotorului de butuc.

Nici ideea rotorului rigid nu este una nouă. Simplitatea sa constructivă și faptul că un elicopter cu rotor rigid răspunde mai bine la comenzi, fiind astfel extrem de manevrabil, l-au făcut să fie o soluție atrăgătoare. Din păcate el are o mare problemă. Palele sunt mult mai solicitate decât în cazul unui rotor clasic, ceea ce impune folosirea unor materiale cu o rezistență mecanică deosebită. Abia acum, când materialele compozite bazate pe fibre de carbon au început să fie folosite curent de industrie, inginerii dispun de un material care să îndeplinească toate condițiile necesare pentru a construi palele unui rotor rigid.

Mai există o problemă cu acest tip de rotor. Mai ales la viteze foarte mari, el produce vibrații puternice, care fac ca zborul să devină inconfortabil și, mai grav, suprasolicită structura. Pentru a rezolva această problemă Sikorsky apelează la tehnologia modernă. În cazul elicopterului X-2 s-a folosit un sistem activ de control (mai bine zis, de anulare) a vibrațiilor. Descris simplu, acest sistem produce vibrații în opoziție de fază cu cele produse de rotoarele elicopterului, astfel încât, la scara întregului elicopter, vibrațiile să fie înlăturate.

Vă mai amintiți, desigur, vă spuneam mai sus că există și problema ca la capătul palelor viteza aerului să devină supersonică, ceea ce constituie o limitare strictă pentru viteza de zbor a elicopterului. În cazul elicopterului X-2 problema este rezolvată pe două căi. În primul rând, deoarece sunt folosite două rotoare, lungimea palelor este mai mică decât în cazul clasic, ceea ce duce, implicit, la scăderea vitezei tangențiale la capătul lor.

În plus, inginerii de la Sikorsky au optat pentru controlul permanent al vitezei de rotație a celor două rotoare, astfel încât la viteze de deplasare mari aceasta să scadă. Spre deosebire de elicopterele clasice, unde pilotul are control direct asupra vitezei de rotație a rotorului, în cazul elicopterului X-2, aceasta este controlată prin intermediul calculatorului de bord.

De fapt, sistemul de pilotare al acestui elicopter este de tip ”Fly by wire”, în care comenzile date de pilot nu sunt transmise direct către dispozitivele de comandă a zborului, ci intră mai întâi într-un calculator, unde sunt prelucrate și integrate cu datele transmise de către senzorii elicopterului și abia mai apoi sunt executate.

Un alt aspect interesant al elicopterului X-2 este prezența unei elice propulsoare amplasate în spate. Aceasta furnizează forța de tracțiune necesară zborului orizontal. La un elicopter clasic, această forță de tracțiune este asigurată prin înclinarea spre înainte a rotorului principal. Optând pentru folosirea unei elice propulsoare avantajele sunt evidente.

În primul rând se simplifică foarte multe mult mecanica rotorului (rotoarelor) principal (principale). În al doilea rând, se poate realiza o optimizare reală, din punct de vedere aerodinamic, a configurației celor două rotoare. Până acum am prezentat noua abordare a firmei Sikorsky în privința elicopterului de mare viteză. Acum a sosit momentul să vorbim și despre materializarea noii tehnologii.

Sikorsky X-2 a efectuat primul său zbor pe 27 august 2008. După mai multe zboruri de încercare, pe parcursul cărora au fost testate în detaliu toate componentele principale ale elicopterului, abia pe 26 iulie 2010 Sikorsky X-2 a depășit (neoficial) recordul de viteză pentru elicoptere, zburând orizontal cu viteza de 417 km/h.

Pe 15 septembrie 2010 se îndeplinea obiectivul principal al acestui demonstrator tehnologic, elicopterul atingând, în zbor orizontal, viteza de 460 km/h. S-a atins și viteza de 480 km/h, de această dată în timp ce elicopterul se afla pe o pantă de coborâre de două până la trei grade. Deoarece demonstratorul tehnologic Sikorsky X-2 a dat rezultatele așteptate s-a putut trece la următoarea etapă.

Sikorsky S-97 RAIDER

Un elicopter rapid, care să fie extrem de manevrabil, reprezintă de multă vreme o cerință a armatei, în acest caz, americane. El poate fi, în același timp, o armă redutabilă, cât și un mijloc pentru transport rapid pe câmpul de luptă. Din acest motiv, în urma rezultatelor extrem de promițătoare ale demonstratorului tehnologic X-2, Sikorsky a trecut la realizarea unui nou elicopter: X-97 Raider.

Acesta preia soluțiile testate până în prezent, adăugând în plus anumite caractersitici, necesare pe câmpul de lupă. Astfel X-97 Raider este echipat cu o gamă largă de rachete și cu o mitralieră cu calibrul 12,7. Elicopterul va putea transporta până la șase militari, plus doi membri ai echipajului, iar fuzelajul este blindat, oferind o protecție sporită împotriva armamentului ușor de infanterie. Au fost avute în vedere și reducerea semnăturilor radar și în infraroșu.

Încheiere

Încă de la începuturile sale, primele utilizări ale elicopterelor s-au concentrat în zona militară. Dar, pe măsură ce s-au perfecționat, elicopterele au ajuns să fie de neînlocuit și pentru aplicațiile civile.

Același lucru se va întâmpla și cu noul elicopter al firmei Sikorsky. Deși prototipurile actuale sunt realizate pentru aplicații militare, vor exista și versiuni civile. Un elicopter foarte rapid, care poate ajunge în timp scurt în locurile unde s-a produs un dezastru și care poate transporta până la șase persoane, cu siguranță, va putea salva multe vieți.

Cristian Român

Cristian Român (n. 1957) este inginer de aeronave și, începând din 1992, jurnalist de știință. Scrie pentru revista Știință și Tehnică și a realizat numeroase emisiuni de popularizare a științei atât pentru televiziune, cât și pentru radio. Este autorul cărții Ultima aventura: Universul. Valoarea textelor sale i-a fost recunoscută prin acordarea, în 2003 și 2006, a Premiului Comisiei Naționale a României pentru UNESCO pentru jurnalismul de știință, secțiunea presă scrisă. De asemenea el a primit Petre Sergescu al Academiei Române pentru cartea ”100 de inovatori români”, al cărei coautor a fost.