Helikopter i vakuum – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

20. november 2008

Helikopter i vakuum

Kære Politikens Oplysning
Der er på vores arbejdsplads opstået en stor diskussion om en helikopter (teoretisk) kan flyve i et lufttomt rum.

Spørgsmålet drejer sig jo selvfølgelig nok i virkeligheden om, hvad det er, der får helikopteren til at lette.

Er det noget I kan hjælpe med? Om hvor vidt motoren kan fungere eller ej i det lufttomme rum, er ikke interessant for vor diskussion.

Venlig hilsen
P B

Alle genstande her ved jorden påvirkes af tyngdekraften imod jordens centrum. Hvis genstanden skal bevare sin afstand fra jordens centrum, skal den derfor være påvirket af en anden kraft, som holder den fast, hvor den er, ellers vil den falde imod jordens centrum.

Det blev opdaget af Isaac Newton 1643 - 1727. For os på jordoverfladen er den kraft, der holder os fra at falde, jordoverfladens kraft op imod vore fødder. Ifølge Newton trækker vi i øvrigt opad med en lige så stor kraft i jordcenteret som den kraft jorden trækker i os med.

Skal det siges kort, gælder det, at et almindeligt propelfly med vinger skal have en kraft, som holder den oppe imod jordens træk. Propellen sørger for at flytte luft bagud så flyet får en hastighed (en omvendt vindmølle).

Vingerne giver den kraft, der holder flyet oppe. De er udformet og hældet, så der opstår lavere tryk ovenpå dem end under dem, når luften bevæger sig rundt om dem, det kan forklares i aerodynamikken.

Tryk er en betegnelse for kraft pr. arealenhed, dvs. når vi siger at trykket er 1 atmosfærer på jorden eller i Pascal: 101325Pa, betyder, det at kraften på 1 cm2 er ca. 1 kg.

På figuren (fra Bergmann Schaeder: Mekanik, de Gruyter forlag) ses undertryk på en helikoptorrotor eller en flyvinge, som udadgående pile, overtryk som indadgående pile, og den kraft der holder flyet oppe er A.

Vingens hastighed igennem luften vises med pilene foran vingen. Afhængigt af vingernes størrelse og flyets fart kan man få ret store kræfter opad fra vingerne, der er jo fly som lastet vejer mere end flere hundrede tons.

Når man kommer højere op i luften bliver trykket lavere, fordi der er mindre luft ovenover, og det betyder, at der er færre luftmolekyler pr. rumfangsenhed. Derfor bliver trykforskellen imellem vingens overside og underside mindre, og på et eller andet tidspunkt kan flyet ikke flyve højere.

Generelt går normale passagerfly (jet)  normalt ikke meget over 12 km højde, propelfly en del lavere, militære jet kan i specielle tilfælde komme op omkring 30 - 40 km højde. Skal man højere kan det gøres for små laster med specialfly eller balloner, men ellers raketter som ikke benytter vingerne i de store højder.

Til helikopteren: Rotoren som sidder ovenpå helikopteren består af normalt 2 - 6 vinger med principielt samme profil som en flyvemaskinevinge, og de kan altså give en kraft opad. Tidlige helikoptere havde en stiv rotor, hvor delene ikke kan bevæges i forhold til hinanden og bladene sidder fast, det har visse militære helikoptere også.

De fleste helikoptere har en meget kompliceret rotor, hvor bladenes hældning kan ændres (pitch vinkel) så kraften opad kan reguleres. Desuden er bladene bøjelige, så de kan flappe, idet kraften opad fra et rotorblad jo afhænger af hastigheden, og når helikopteren flyver fremad, vil lufthastigheden ved det blad der er på vej frem være større, end ved det blad der er på vej tilbage, altså større kraft på det fremadgående blad. Kommer blades ende op over lydhastigheden fremad, giver bladet ikke nogen kraft.

Dette begrænser også hastigheden af helikopteren til ca. 400 km/h (hvis rotorbladets spids har hastigheden 600 km/h i forhold til helikopteren, er den fremadgående bladspids hastighed 1000 km/h i forhold til luften og den tilbagegående bladspids hastighed 200 km/h i forhold til luften. Det giver en difference på det fremadgående blad og det tilbagegående på 800 km/h. Det ville give en stor forskel i den opadgående kraft på de to sider, hvis den ikke kompenseredes af hængsler og drejning af bladene, flapning mm som kompensation, lydhastigheden afhænger af højden, men er omkring 1100 -1200 km/h).

Den største højde nået af en specialbygget helikopter uden last er ca. 12500 m, men normalt kan de kun flyve meget lavere 3-4 km. Der er på rotoren også hængsler der tillader bladene at blive drejet op og ned og frem og tilbage. Det hele reguleres hydraulisk af piloten. De frem og tilbagegående samt op og nedadgående bevægelser kan bruges til at kompensere de hastighedsforskelle, der nævnes ovenfor, det sker automatisk. Desuden skal der kompenseres for en rotationseffekt, der hedder Coriolis effekten med disse hængsler (Gaspard - Gustave Coriolis 1792 - 1843).

Når helikopteren skal flyve i en bestemt retning kan rotoren hældes i den retning, så den trækker fremad. Helikoptere med en rotor har en halepropel, som drejer om en vandret akse, for at undgå at flyet drejer rundt modsat hovedrotoren (nogen har to ofte modsat roterende rotorer, som løser det problem). Det særlige ved helikopteren er dens evne til at stå stille og derfra at flyve i vilkårlig retning.

Alle vingede fly og propeller virker altså kun, hvis der er luft tilstede, så de kan opnå en kraft fra trykforskellen. Hverken propelfly eller jetfly (eller raketdrevne fly) kan få en sådan kraft hvis der ikke er luft. Helikopteren letter fordi kraften fra rotorens passage igennem luften er større end tyngden på helikopteren.  

Når man ser science fiction film f.eks. Starwar, kan kampflyene altså ikke bruge vingerne i rummet, der kan de kun bruge raketter (og laserstrålerne kan ikke ses, man kan ikke høre lyde fra eksplosioner af andre rumfartøjer osv.). Her har instruktøren ønsket dramatiske effekter og set bort fra virkeligheden. De kan naturligvis bruge vingerne i atmosfæren.  

Med venlig hilsen
Malte Olsen