โรเตอร์ BERP

การออกแบบใบพัดเฮลิคอปเตอร์ BERPได้ รับการพัฒนาภายใต้ โครงการ British Experimental Rotor Programme [ ^{1 ] [}^{2 ] ใบพัด}เฮลิคอปเตอร์ BERP รุ่นแรกได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ถึงกลางทศวรรษ 1980 ในฐานะโครงการร่วมทุนระหว่างWestland HelicoptersและRoyal Aircraft Establishment (RAE) โดยมีศาสตราจารย์Martin Lowsonเป็นผู้ร่วมจดสิทธิบัตร^{[ 3 ]}โครงการนี้มีเป้าหมายเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการยกและความเร็วสูงสุดของเฮลิคอปเตอร์ผ่านการออกแบบใบพัดแบบใหม่และวัสดุคอมโพสิตขั้นสูง^{[ 4 ]}

วิธีการทำงาน

เมื่อกระแสลมในพื้นที่เกิน Mach 1 คลื่นกระแทกจะก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวโค้ง เช่น ขอบนำของใบพัด ทำให้เกิดแรงต้านคลื่นอย่างมาก โดยปกติแล้วจะเกิดขึ้นบนพื้นที่โค้ง เช่น หน้าต่างห้องนักบิน ขอบนำของปีก และพื้นที่ที่คล้ายกันซึ่งหลักการของเบอร์นูลลีเร่งความเร็วของอากาศ คลื่นกระแทกเหล่านี้แผ่พลังงานจำนวนมากออกไป ซึ่งต้องได้รับการจัดหาโดยเครื่องยนต์ ซึ่งปรากฏต่อเครื่องบินโดยรวมเป็นแรงต้านเพิ่มเติมจำนวนมากที่เรียกว่าแรงต้านคลื่น การเกิดขึ้นของแรงต้านคลื่นนี้ เองที่ทำให้เกิดแนวคิดเรื่องกำแพงเสียง^{[ 5 ]}

เฮลิคอปเตอร์มีปัญหาเพิ่มเติมคือใบพัดจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กับลำตัวขณะหมุน แม้ขณะลอยตัว ปลายใบพัดอาจเคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่เป็นเศษส่วนสำคัญของความเร็วเสียง เมื่อเฮลิคอปเตอร์เร่งความเร็ว ความเร็วโดยรวมจะถูกบวกเข้ากับความเร็วของปลายใบพัด ซึ่งหมายความว่าใบพัดด้านที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าจะได้รับความเร็วลมสูงกว่าด้านที่เคลื่อนที่ไปข้างหลังอย่างมาก ทำให้เกิดความไม่สมมาตรของแรงยก [ ^{6 ] ซึ่ง}จำเป็นต้องมีการเปลี่ยนแปลงมุมปะทะของใบพัดเพื่อให้แน่ใจว่าแรงยกมีความคล้ายคลึงกันทั้งสองด้าน แม้ว่าจะมีความแตกต่างอย่างมากในกระแสลมสัมพัทธ์^{[ 5 ]}

ความสามารถของใบพัดในการเปลี่ยนรูปแบบการยกนั้นเป็นตัวจำกัดความเร็วไปข้างหน้าของเฮลิคอปเตอร์ ในบางจุด ความเร็วไปข้างหน้าจะทำให้ใบพัดที่เคลื่อนที่ไปข้างหลังมีความเร็วต่ำกว่า ความเร็ว หยุดนิ่งจุดที่เกิดเหตุการณ์นี้สามารถปรับปรุงได้โดยการทำให้ใบพัดหมุนเร็วขึ้น แต่ก็จะเจอปัญหาเพิ่มเติมคือ ที่ความเร็วสูง ใบพัดที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าจะมีความเร็วเข้าใกล้ความเร็วเสียงและเริ่มได้รับผลกระทบจากแรงต้านคลื่นและผลเสียอื่นๆ^{[ 7 ]}

วิธีแก้ปัญหาแรงต้านจากคลื่นลมวิธีหนึ่งก็คือ การใช้ปีกแบบปลายโค้ง (wing sweep ) ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่ใช้ในเครื่องบินขับไล่ไอพ่นในยุคปี 1950 วิธีนี้ช่วยลดแรงต้านจากคลื่นลมได้โดยไม่ส่งผลเสียอย่างมีนัยสำคัญ ยกเว้นที่ความเร็วต่ำมาก ในกรณีของเครื่องบินขับไล่ ปัญหานี้เป็นเรื่องที่น่ากังวล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในขณะลงจอด แต่ในกรณีของเฮลิคอปเตอร์ ปัญหานี้มีความสำคัญน้อยกว่า เพราะปลายใบพัดจะไม่ชะลอตัวลงอย่างมีนัยสำคัญ แม้ในขณะลงจอด เราสามารถเห็นเฮลิคอปเตอร์หลายรุ่นในยุคปี 1970 และ 1980 ที่มีปลายใบพัดแบบโค้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งUH-60 BlackhawkและAH-64 Apache

เพื่อป้องกันการเกิดการเชื่อมโยงทางอากาศพลศาสตร์และแรงเฉื่อยที่ไม่พึงประสงค์อันเนื่องมาจากการเลื่อนไปด้านหลังของจุดศูนย์ถ่วงหรือจุดศูนย์อากาศพลศาสตร์เมื่อเทียบกับแกนยืดหยุ่นของใบพัด ปลายใบพัดจึงถูกออกแบบให้มีการเลื่อนพื้นที่ไปด้านหน้า วิธีการที่ใช้ในการออกแบบใบพัด BERP ทำให้มั่นใจได้ว่าเลขมัคที่มีประสิทธิภาพในแนวตั้งฉากกับใบพัดจะคงที่โดยประมาณตลอดบริเวณที่กวาด มุมกวาดสูงสุดที่ใช้ในส่วนใหญ่ของใบพัด BERP คือ 30 องศา และปลายใบพัดเริ่มต้นที่รัศมีไร้มิติ r/R=cos 30 = 86% ของรัศมี การกระจายพื้นที่ของบริเวณปลายใบพัดนี้ได้รับการกำหนดค่าเพื่อให้แน่ใจว่าจุดศูนย์กลางแรงดันเฉลี่ยของปลายใบพัดตั้งอยู่บนแกนยืดหยุ่นของใบพัด ทำได้โดยการเลื่อนตำแหน่งของ แกน คอร์ด 1/4 ในพื้นที่ ไปข้างหน้าที่รัศมี 86% ^{[ 8 ]}

การเยื้องไปข้างหน้าเช่นนี้ทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องหรือ "รอยบาก" ที่ขอบด้านหน้าของใบพัด ซึ่งช่วยลดความแรงของคลื่นกระแทกที่ปลายใบพัดที่โค้งงอลง ตัวอย่างเช่น การคำนวณล่าสุดโดยใช้รหัส CFD ที่อิงตามสมการนาเวียร์-สโตกส์แสดงให้เห็นว่า "รอยบาก" นี้ช่วยลดความแรงของคลื่นกระแทกบนใบพัดได้มากยิ่งขึ้น ดังนั้น ผลพลอยได้ที่ไม่คาดคิดของรอยบาก นอกเหนือจากผลพื้นฐานของการโค้งงอแล้ว คือการช่วยลดผลกระทบจากความสามารถในการอัดตัวได้ดียิ่งขึ้นไปอีก

เราต้องยอมรับด้วยว่ารูปทรงปลายใบมีดแบบโค้งงอเช่นนี้ไม่จำเป็นต้องปรับปรุงประสิทธิภาพของใบมีดที่มุมโจมตี สูง ซึ่งสอดคล้องกับด้านที่ถอยกลับของแผ่นดิสก์ อันที่จริง ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าใบมีดปลายโค้งงออาจมีลักษณะการหยุดนิ่งที่ด้อยกว่าเมื่อเทียบกับใบมีดปลายมาตรฐาน^{[ 5 ]}

ใบพัด BERP ใช้รูปทรงเรขาคณิตสุดท้ายที่ทำงานเหมือนปลายใบพัดแบบกวาดที่ความเร็ว Mach สูงและมุมปะทะต่ำ แต่ในขณะเดียวกันก็ช่วยให้ปลายใบพัดทำงานได้ที่มุมปะทะสูงมากโดยไม่เกิดการเสียการทรงตัว คุณสมบัติหลังนี้ได้มาจากการเพิ่มมุมกวาดของส่วนนอกสุดของปลายใบพัด (ประมาณ 2% ด้านนอก) อย่างมากจนถึงค่า (70 องศา) ที่มุมปะทะที่สำคัญใดๆ จะทำให้เกิดการแยกตัวของกระแสลม ที่ขอบหน้า เนื่องจากขอบหน้ามีมุมกวาดสูงมาก การแยกตัวของกระแสลมที่ขอบหน้าจึงพัฒนาเป็น โครงสร้าง กระแสน้ำวนซึ่งหมุนรอบขอบหน้าและในที่สุดก็อยู่เหนือพื้นผิวด้านบน (เช่นเดียวกับ เครื่องบิน ปีกสามเหลี่ยม ) กลไกนี้ได้รับการปรับปรุงโดยการทำให้ขอบหน้าของปีกในบริเวณนี้ค่อนข้างคม เมื่อมุมปะทะเพิ่มขึ้น กระแสน้ำวนนี้จะเริ่มพัฒนาจากจุดที่อยู่ไกลออกไปเรื่อยๆ ตามขอบหน้า โดยตาม รูปทรง เรขาคณิตของปีกไปยังบริเวณที่มีมุมกวาดปานกลางมากขึ้น ที่มุมปะทะสูงเพียงพอ กระแสน้ำวนจะเริ่มเกิดขึ้นใกล้กับส่วนหน้าสุดของขอบหน้าใกล้กับบริเวณ "รอยบาก" ^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}

หลักฐานแสดงให้เห็นว่ากระแสน้ำวน "รอยบาก" ที่แข็งแกร่งยังเกิดขึ้นด้วย ซึ่งไหลตามทิศทางการไหลข้ามใบพัด กระแสน้ำวนนี้ทำหน้าที่เหมือนรั้วอากาศพลศาสตร์และชะลอการแยกตัวของบริเวณการไหลไม่ให้รุกเข้าไปในบริเวณปลายใบพัด การเพิ่มมุมปะทะต่อไปแทบจะไม่ทำให้โครงสร้างการไหลเปลี่ยนแปลงจนกว่าจะถึงมุมปะทะที่สูงมาก (ประมาณ 22 องศา!) เมื่อการไหลจะแยกตัวอย่างเห็นได้ชัด สำหรับรูปทรงปลายใบพัดแบบดั้งเดิม คาดว่าจะเกิดการแยกตัวของการไหลอย่างเห็นได้ชัดในลักษณะเดียวกันที่มุมปะทะเฉพาะที่ประมาณ 12 องศา^{[ 5 ]}^{[ 10 ]}

ดังนั้น ใบพัด BERP จึงสามารถใช้ประโยชน์จากทั้งสองด้านได้อย่างเต็มที่ โดยลดผลกระทบของการบีบอัดบนใบพัดที่เคลื่อนที่ไปข้างหน้าและชะลอการเกิดการหยุดชะงักของใบพัดที่ถอยหลัง ผลลัพธ์สุทธิคือขอบเขตการบิน ปฏิบัติการ ที่ เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ^{[ 5 ]}^{[ 11 ]}

โปรแกรม

โครงการแรก BERP I ศึกษาการออกแบบ การผลิต และการรับรองคุณภาพของ ใบพัดเฮลิคอปเตอร์ แบบคอมโพสิตซึ่งส่งผลให้มีการผลิตใบพัดหลักและ ใบพัด หาง แบบใหม่ สำหรับเฮลิคอปเตอร์Westland Sea Kingต่อยอดจากโครงการแรก โครงการที่สอง BERP II วิเคราะห์ รูปทรง ปีก ขั้นสูง สำหรับใบพัดเฮลิคอปเตอร์ในอนาคต ซึ่งเป็นข้อมูลพื้นฐานสำหรับโครงการ BERP III

การออกแบบ BERP III มีรอยบากที่ปลายด้านนอกของใบพัดโรเตอร์ โดยมีการกวาดกลับจากรอยบากไปยังปลายใบพัดมากกว่าบริเวณด้านในของรอยบาก^{[ 12 ]} BERP III ประสบความสำเร็จในการสาธิตเทคโนโลยีบนเฮลิคอปเตอร์Westland Lynx ^{[ 13 ]}ในปี 1986 เฮลิคอปเตอร์ Lynx ที่ได้รับการดัดแปลงเป็นพิเศษและจดทะเบียน G-LYNX ได้สร้างสถิติความเร็วสูงสุดสำหรับเฮลิคอปเตอร์ในระยะทาง 15 และ 25 กิโลเมตร โดยทำความเร็วได้ 400.87 กม./ชม. (249.09 ไมล์/ชม.) ^{[ 12 ]} หลังจากการสาธิตเทคโนโลยีประสบความสำเร็จ ใบพัด BERP III จึงเข้าสู่กระบวนการผลิต^{[ 14 ]}

BERP IV ใช้: ปีกแอโรฟอยล์แบบใหม่ รูปทรงปลายใบพัดที่ปรับปรุงใหม่ และการบิดใบพัดที่เพิ่มขึ้น หลังจากการทดสอบ 29 ชั่วโมง พบว่า "ปรับปรุงประสิทธิภาพการบินของโรเตอร์ ลดความต้องการพลังงานในการบินแบบลอยตัวและบินไปข้างหน้า ... ลดการสั่นสะเทือนของตัวเครื่องและเครื่องยนต์สำหรับน้ำหนักขึ้นบินที่หลากหลาย" ^{[ 15 ]}นอกจากนี้ "พบว่าภาระของดุมโรเตอร์เท่ากันหรือน้อยกว่าใบพัด BERP III ที่ติดตั้งอยู่ใน เฮลิคอปเตอร์ EH101 ในปัจจุบัน " ^{[ 15 ]}เพื่อป้องกันการสึกกร่อนของขอบด้านหน้า ใบพัดจะใช้เทปที่ทำจากยางแทนโพลี ยู รีเทนที่ใช้ในเฮลิคอปเตอร์ Sea King ของกองทัพเรือสหราชอาณาจักร จากการทดสอบพบว่ามีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นถึงห้าเท่า คือ 195 นาที เทียบกับ 39 นาที โครงการนี้สิ้นสุดลงในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2550 ^{[ 15 ]}

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี BERP

ปัจจุบันสามารถสมัครได้ดังนี้:

BERP III:

อากุสตาเวสต์แลนด์ AW101

เวสต์แลนด์ ซูเปอร์ ลิงซ์รุ่นอัพเกรด

BERP IV: