Helikopter

Historia

Jedną z ważnych cech historii lotu pionowego jest wszechobecne ludzkie zainteresowanie tym tematem; wynalazcy w wielu krajach podjęli wyzwanie na przestrzeni lat, osiągając różny stopień sukcesu. Historia lotu pionowego rozpoczęła się co najmniej około 400 roku n.e.; istnieją historyczne wzmianki o chińskim latawcu, który wykorzystywał obrotowe skrzydło jako źródło siły nośnej. Zabawki wykorzystujące zasadę działania helikoptera – obrotowe ostrze obracane za pomocą sznurka – były znane już w średniowieczu. W drugiej połowie XV wieku Leonardo da Vinci wykonał rysunki helikoptera, który do uzyskania siły nośnej wykorzystywał spiralną śrubę powietrzną. Zabawkowy helikopter z wirnikami wykonanymi z piór ptaków został zaprezentowany Francuskiej Akademii Nauk w 1784 roku przez dwóch rzemieślników Launoy i Bienvenu; zabawka ta zapowiadała bardziej udany model stworzony w 1870 roku przez Alphonse’a Pénaud we Francji.

Pierwsza naukowa prezentacja zasad, które ostatecznie doprowadziły do sukcesu helikoptera, pochodzi z 1843 roku od Sir George’a Cayleya, który jest również uważany przez wielu za ojca lotów stałopłatowych. Od tego momentu liczni wynalazcy stworzyli wiele pomysłów na śmigłowce, prawie wyłącznie w formie modeli lub szkiców. Wiele z nich było technicznym ślepym zaułkiem, ale inne przyczyniły się do powstania części ostatecznego rozwiązania. W 1907 roku nastąpiły dwa znaczące kroki naprzód. 29 września bracia Breguet, Louis i Jacques, pod kierunkiem fizjologa i pioniera lotnictwa Charlesa Richeta wykonali krótki lot swoim Gyroplanem nr 1, napędzanym silnikiem o mocy 45 koni mechanicznych. Gyroplane miał ramę przypominającą pajęczynę i cztery zestawy wirników. Pilotowany samolot podnosił się z ziemi na wysokość około dwóch stóp, ale był na uwięzi i nie był pod żadną kontrolą. Breguet stał się sławny we francuskim lotnictwie, a Louis z czasem powrócił do pracy nad śmigłowcami. Później, w listopadzie, ich rodak Paul Cornu, który podobnie jak bracia Wright zajmował się produkcją rowerów, wykonał swobodny lot trwający około 20 sekund, osiągając wysokość jednej stopy w dwuwirnikowym statku napędzanym silnikiem o mocy 24 koni mechanicznych. Innym człowiekiem, który, podobnie jak Breguci, flirtował z helikopterem, zdobył sławę dzięki samolotom stałopłatowym, a później powrócił do wyzwania, jakim był lot pionowy, był Igor Sikorsky, który w tym samym czasie przeprowadził kilka nieudanych eksperymentów.

Następne 25 lat charakteryzowały dwa główne trendy w lotach pionowych. Jedną z nich było szerokie rozpowszechnienie pomniejszych sukcesów śmigłowców; drugą było pojawienie się i pozorny sukces autogiro (pisane również jako autogyro).

Śmigłowiec odnosił stopniowe sukcesy w wielu krajach, a poniższy krótki przegląd uwypukli tylko tych, których wkład znalazł się ostatecznie w pomyślnie rozwiniętych śmigłowcach. W 1912 r. duński wynalazca Jacob Ellehammer wykonał krótkie skoki śmigłowcem wyposażonym w przeciwbieżne wirniki i cykliczną regulację skoku, przy czym ta ostatnia funkcja stanowiła ważne spojrzenie na problem sterowania. 18 grudnia 1922 r. złożony śmigłowiec zaprojektowany przez George’a de Bothezata dla Sił Powietrznych Armii Stanów Zjednoczonych uniósł się z ziemi na nieco mniej niż dwie minuty, przy minimalnej kontroli. We Francji argentyński wynalazca Raúl Pateras Pescara, który w latach 20. i 30. zaprojektował kilka śmigłowców z cykliczną regulacją skoku i, w razie awarii silnika, z autorotacją wirnika, ustanowił 18 kwietnia 1924 r. rekord odległości w linii prostej wynoszący 736 metrów (2 415 stóp). W tym samym roku we Francji, 4 maja, Étienne Oehmichen ustanowił rekord odległości dla śmigłowców, przelatując koło o długości kilometra.

W Hiszpanii w poprzednim roku, 9 stycznia 1923 r., Juan de la Cierva wykonał pierwszy udany lot autogiro. Autogiro działa na innej zasadzie niż helikopter. Jego wirnik nie jest napędzany, ale uzyskuje siłę nośną dzięki mechanicznej rotacji, gdy autogiro porusza się w powietrzu. Jego zaletą jest stosunkowo krótki start i niemal pionowe opadanie. Sukcesy autogiro Ciervy i jego konkurentów zdawały się przekreślać przyszłość rozwoju śmigłowców. Autogirosy były szybko ulepszane i produkowane w wielu krajach, zdając się wypełniać tak użyteczną niszę, że chwilowo przyćmiły śmigłowiec. Jak na ironię jednak, technologia głowicy wirnika i łopat wirnika opracowana dla autogiro przyczyniła się w znacznym stopniu do rozwoju udanego śmigłowca, który z czasem uczynił autogiro przestarzałym.

W 1936 roku Niemcy wysunęły się na czoło rozwoju śmigłowców dzięki modelowi Focke Achgelis Fa 61, który posiadał dwa trójłopatowe wirniki zamontowane na wysięgnikach i napędzane 160-konnym silnikiem radialnym. Fa 61 miał regulowany skok cykliczny i ustanowił wiele rekordów, w tym w 1938 r. lot na wysokości 11 243 stóp i przelot na odległość 143 mil. W 1938 r. niemiecka lotniczka Hanna Reitsch została pierwszą na świecie kobietą pilotem śmigłowca, lecąc Fa 61 w hali Deutschland-Halle w Berlinie. Był to zarówno triumf techniczny, jak i propagandowy. Niemcy kontynuowały rozwój śmigłowców podczas II wojny światowej i jako pierwsze wprowadziły do masowej produkcji śmigłowiec Flettner Kolibri.

W Stanach Zjednoczonych, po wielu sukcesach z komercyjnymi łodziami latającymi, Igor Sikorsky ponownie zwrócił uwagę na śmigłowce i po długim okresie rozwoju wykonał udaną serię lotów próbnych swojego VS-300 w latach 1939-41. VS-300 był niewielki (ważył 1092 funty) i był napędzany 65-konnym silnikiem Lycominga. W zasadzie był to samolot testowy, zaprojektowany z myślą o łatwej i szybkiej modyfikacji. Posiadał jednak cechy charakterystyczne dla większości współczesnych śmigłowców: pojedynczy główny wirnik trójłopatkowy o skoku kolektywnym oraz wirnik ogonowy. Sukces, jaki odniósł VS-300, pokazał jednak również trudności, jakie napotkały wszystkie następne śmigłowce w procesie rozwoju. Przez wiele lat, w porównaniu z samolotami konwencjonalnymi, śmigłowce miały zbyt małą moc, były trudne w sterowaniu i podlegały znacznie większym obciążeniom dynamicznym, które powodowały awarie materiałów i wyposażenia. Jednak VS-300 zapoczątkował długą linię śmigłowców Sikorsky’ego i wpłynął na ich rozwój w wielu krajach, w tym we Francji, Anglii, Niemczech i Japonii.

Po II Wojnie Światowej komercyjne zastosowanie śmigłowców rozwijało się szybko w wielu rolach, w tym w straży pożarnej, policji, opryskach upraw rolnych, zwalczaniu komarów, ewakuacji medycznej, przewozie poczty i pasażerów.

Rozwijający się rynek spowodował pojawienie się kolejnych konkurentów, z których każdy miał inne podejście do problemu lotu pionowego. Bell Aircraft Corporation, pod kierownictwem Arthura Younga, rozpoczęła swoją długą, zasłużoną historię samolotów pionowego lotu od serii prototypów, które doprowadziły do powstania Bell Model 47, jednego z najbardziej znaczących helikopterów wszechczasów, wyposażonego w przegubowy, stabilizowany żyroskopowo, dwułopatowy wirnik. Frank Piasecki stworzył firmę Piasecki Helicopter Corporation, której projekty charakteryzowały się koncepcją tandemowego wirnika. Zastosowanie podwójnych wirników tandemowych pozwoliło na zwiększenie rozmiarów śmigłowców do prawie dwukrotności ich poprzedniej wielkości, bez konieczności tworzenia bardzo dużych łopat wirnika. Ponadto umieszczenie podwójnych wirników zapewniało duży zasięg środka ciężkości. Konkurencja była międzynarodowa, a szybkie postępy poczyniono w Związku Radzieckim, Wielkiej Brytanii, Francji, Włoszech i innych krajach.

W jeszcze większym stopniu niż w przypadku samolotów stałopłatowych rozwój śmigłowca był ograniczony przez moc silnika. Silniki tłokowe były ciężkie, hałaśliwe i mniej wydajne na dużych wysokościach. Pierwsze zastosowanie technologii silników odrzutowych w śmigłowcach miało miejsce w 1951 roku w śmigłowcu HTK-1 firmy Kaman Aircraft Corporation, który posiadał opatentowane przez Kaman aerodynamiczne wirniki sterowane serwomechanizmem w konfiguracji „synchropter” (tzn. wirniki umieszczone obok siebie z zazębiającymi się ścieżkami ruchu łopat).

W konwencjonalnych samolotach moc silnika odrzutowego była wykorzystywana przede wszystkim do zwiększenia prędkości. W śmigłowcu ciąg turbiny odrzutowej musiał być przechwytywany przez przekładnię, która obracała wirnik. Silnik odrzutowy miał wiele zalet dla śmigłowca – był mniejszy, ważył mniej niż silnik tłokowy o porównywalnej mocy, miał znacznie mniejsze wibracje i zużywał tańsze paliwo. Francuski samolot SNCA-S.E. 3130 Alouette II wykonał swój pierwszy lot 12 marca 1955 r., napędzany silnikiem turbinowym Turbomeca Artouste II. Szybko stał się jednym z najbardziej wpływowych śmigłowców na świecie i zapoczątkował trend w kierunku śmigłowców z napędem odrzutowym.

Na rynku jest obecnie dostępnych wiele typów śmigłowców, od małych dwuosobowych śmigłowców prywatnych, poprzez duże śmigłowce pasażerskie, aż po pojazdy robocze zdolne do przewożenia ogromnych ładunków w odległe miejsca. Wszystkie one odpowiadają podstawowym zasadom lotu, ale ze względu na unikalny charakter wirnika i systemów sterowania śmigłowca, techniki ich pilotażu różnią się od siebie. Istnieją również inne rodzaje samolotów pionowego podnoszenia, których sterowanie i techniki są często mieszanką samolotów konwencjonalnych i śmigłowców. Stanowią one niewielką część całościowego obrazu lotu, ale ich znaczenie rośnie.