Helikopterns styrsystem / Helicopter flight control

En helikopter manövreras med hjälp av tre stycken kontroller. Dessa tre är stigspaken, styrspaken samt pedalerna. Vad de olika kontrollerna används till förklaras nedan.

Stigspaken

Stigspaken används för att kontrollera höjden på helikoptern. Den är placerad till vänster om pilotens säte. Spaken är lagrad i ena änden och går att röra upp och ned. När stigspaken förs uppåt kommer pitchvinkeln på alla huvudrotorblad att öka samtidigt vilket medför att en högre lyftkraft skapas och helikoptern stiger uppåt. När piloten för ned stigspaken minskar pitchvinkeln på huvudrotorns rotorblad och helikoptern kommer att sjunka.

När pitchvinkeln ökas för att få högre lyftkraft måste även motoreffekten som tas ut ökas för att behålla ett konstant rotorvarvtal. Därför har helikoptrar vanligtvis extra kopplingar till stigspaken för att automatiskt öka gasreglaget då spaken förs uppåt. En sådan typ av koppling på kolvmotordrivna helikoptrar kallas ”correlation linkage” eller ”correlation box”. Namnet har den fått från engelskans ”correlate”, som betyder ”växelförhållande”, och dess funktion är att ha rätt förhållande mellan motoreffekt och pitchvinkel på huvudrotorn.

På turbindrivna helikoptrar behövs inte en sådan koppling mellan stigspaken och motorn. Istället använder man två andra system. Med motorer med en friturbin används en kam, benämns ”compensating cam”, denna ger en signal till bränslereglaget om att öka motoreffekten då stigspaken förs uppåt. På direktdrivna turbinmotorer uppnår man konstant rotorvarvtal med hjälp av en regulator som styr motorvarvtalet.

Pedalerna

Pedalerna styrs med pilotens fötter och används för att ändra pitchvinkeln på stjärtrotorbladen. Stjärtrotorns funktion är att kunna kontrollera vridmomentet som skapas av huvudrotorn samt att kunna manövrera helikoptern i gir-led. Under till exempel en start kommer motoreffekten vara hög och vridmomentet kommer att vara högt. För att motverka vridmomentet som skapas trycker piloten ned vänster pedal som skapar en positiv pitchvinkel på stjärtrotorn. Detta gäller på amerikanska helikoptrar som har huvudrotorer som roterar motsols. På helikoptrar som har huvudrotorer som roterar medsols kommer vridmomentet att verka åt andra hållet och piloten måste trycka ned vänster höger pedal.

Under planflykt hålls pedalerna i en neutral position, i det läget har stjärtrotorbladen liten positiv pitchvinkel för att motverka det vridmoment som skapas. Under hovring använder piloten pedalerna för att styra helikopterns nos till höger eller till vänster. När piloten trycker ned höger pedal skapas en negativ pitchvinkel på stjärtrotorn och helikoptern vrider sig åt höger. På samma sätt fungerar det då piloten trycker ned vänster pedal, fast istället skapas en positiv pitchvinkel och helikoptern vrider sig åt vänster.

Stjärtrotorn drivs av samma motor som huvudrotorn och det är därför fördelaktigt att avlasta stjärtrotorn så mycket som det går under planflykt. På så sätt kan man ta tillvara på motoreffekten och kan använda den till att skapa lyftkraft/dragkraft istället. För att avlasta stjärtrotorn är helikoptern konstruerad med en vertikalt placerad fena på stjärtbommen. Den är ofta placerad förskjuten från centrumlinjen och kraften som skapas kommer att motverka vridmomentet från huvudrotorn under planflykt.

Styrspaken

Styrspaken används för att manövrera helikoptern i den riktning piloten vill flyga åt. Detta sker genom att huvudrotorn lutas i den riktningen. När huvudrotorn är lutad åt något håll kommer dragkraften och lyftkraften från huvudrotorn att dra helikoptern åt det hållet. Till exempel om piloten för styrspaken framåt kommer huvudrotorn att tiltas framåt och helikoptern kommer att flyga framåt. Samma effekt uppnås åt alla håll, 360° runt. Lutningen av rotorn sker med hjälp av cyklisk pitchförändring på huvudrotorbladen. Varje individuellt rotorblad får en förändrad pitchvinkel beroende på var bladet befinner sig i rotationen. Förändringen är förskjuten till 90° innan den position styrspaken har på grund av den gyroskopiska precessionen.

Flight Control

The helicopter is controlled by three basic controls. These are the collective, the anti-torque pedals and the cyclic control.

Collective

The collective lever is used to control the altitude of the helicopter. It is located to the left of the pilot’s seat. The lever pivots from the aft end and moves up and down. When the lever is moved upward, pitch increases simultaneously in all rotor blades, which will cause the helicopter to increase in altitude. It works in the same way when you lower the collective, but instead of an increase in pitch, the pitch is decreased and the helicopters altitude decreases.

When we increase the pitch with the collective lever we also need to increase the engine power to maintain a constant RPM. Therefore helicopters usually have additional linkage attached to the collective in order to increase the throttle linkage as the collective is raised. This construction is referred to as the correlation linkage, or the correlation box, because its purpose is to provide the correct relationship between engine power and rotor pitch.

On turbine-powered helicopters no linkage is required between the engine and the collective. Instead of a linkage two systems are used. The free turbine engine make use of a cam, referred to as a compensating cam, which feeds a signal to the fuel control to increase power when the collective stick is moved. On the direct-drive turbine engines a constant RPM is obtained by a governor on the engine which governs the engine power.

Anti-torque pedals

The anti-torque pedals are some times called the rudder pedals. The pedals change the pitch of the tail rotor and are operated by the pilot’s feet. The function of the tail rotor is to control the torque created by the main rotor. Besides that, the tail rotor is used to give the helicopter heading control. For example, during takeoff the engine power will be at its maximum and consequently the torque will be at its maximum. To counteract the torque the pilot depresses the left pedal which creates a positive pitch on the tail rotor. This applies on U.S.-made helicopters with counter-clockwise rotation on the main rotor. On helicopters with clockwise rotation the torque will react in the opposite direction and the pilot needs to depress the right pedal.
During forward flight the pedals are held in a neutral position, which applies some positive pitch to the tail rotor to counteract the small amount of torque created by the main rotor. At a hover the pilot uses the pedals to move the helicopters nose to the left or to the right. When the pilot depresses the right pedal the nose of the helicopter will move to the right, caused by the negative pitch on the tail rotor. In the same way, by depressing left pedal will turn the helicopter to the left.
Besides giving the helicopter heading control under engine power, the tail rotor needs to provide negative thrust during autorotation.
The tail rotor is powered by the engine and it’s therefore advantageous to unload the rotor as much as possible in forward flight. The engine power can then be used to provide lift and thrust instead. To unload the tail rotor the helicopter is fitted with a vertical fin on the tail. The vertical fin is fitted offset from the centerline and the force created will assist in torque correction during forward flight.

Cyclic control

The cyclic control is used to obtain directional control of the helicopter. This is achieved by tilting the tip path plane of the main rotor. When the tip path plane is tilted the thrust and the lift of the main rotor will pull the helicopter in the direction of the tip path plane. Tilting the main rotor forward will cause the helicopter to move forward. Tilting the main rotor aft, the helicopter will move aft. The cyclic may also be moved from side to side and 360° around creating the same effect as described. The tilt of the main rotor is accomplished by changing the pitch of each individual rotor blade. The pitch change is made 90° prior to the displacement of the cyclic stick because of the gyroscopic precession.