การออกแบบปีกและการยก

แรงยกที่เกิดจากปีกเครื่องบินสามารถเข้าใจได้จากความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วลมและความดัน ที่เรียกว่าหลักการเบอร์นูลลี มันบอกว่าเมื่อความเร็วของอากาศเพิ่มขึ้น ความดันจะลดลงและในทางกลับกัน รูปทรงของปีก (แอร์ฟอยล์) ได้รับการออกแบบให้มีแรงยกเชิงบวกเมื่อสัมผัสกับอากาศที่เข้ามา

โดยทั่วไปพื้นผิวด้านบนจะมีลักษณะโค้งมน และด้านล่างจะเรียบ สิ่งนี้จะสร้างเวนทูรี ทำให้เกิดความเร็วลมที่แตกต่างกันบนพื้นผิวปีกด้านบนและด้านล่าง แรงกดดันที่สูงกว่าถูกสร้างขึ้นใต้ปีก และความกดดันเหนือปีกลดลง ส่งผลให้เกิดแรงยก

เครื่องบินต้องใช้อากาศจำนวนมากในการเคลื่อนผ่านปีกเพื่อให้มีแรงยกมากพอที่จะลอยขึ้นไปในอากาศได้ เครื่องบินจึงต้องมีปีกขนาดใหญ่ ต้องบินได้เร็ว และต้องใช้รันเวย์ยาวในการบินขึ้นและลง แม้ว่าใบพัดของเฮลิคอปเตอร์จะได้รับการออกแบบในลักษณะเดียวกันเพื่อสร้างแรงยก แต่อากาศจะถูกเคลื่อนไปเหนือโรเตอร์โดยการหมุนใบพัด

โรเตอร์สร้างกระแสลมขนาดใหญ่ที่พัดเฮลิคอปเตอร์ขึ้นด้านบน ผลการยกช่วยให้เฮลิคอปเตอร์สามารถเคลื่อนที่ขึ้นลงได้โดยตรง ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยเครื่องบินทั่วไป การยกที่เกิดจากใบพัดโรเตอร์ยังช่วยให้เฮลิคอปเตอร์สามารถลอยอยู่ในอากาศได้โดยไม่ต้องเคลื่อนที่ นอกจากนี้ เฮลิคอปเตอร์ยังสามารถบินขึ้นและลงจอดในแนวตั้งได้โดยไม่ต้องใช้รันเวย์พิเศษ

ส่วนประกอบหลักและฟังก์ชันการทำงาน

โรเตอร์ที่หมุนได้ขนาดใหญ่เป็นส่วนประกอบเดียวที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดของเฮลิคอปเตอร์ ชุดใบพัดโรเตอร์ทั่วไป (4 ใบ) เชื่อมต่อกับดุมโรเตอร์และบานพับขนนกซึ่งช่วยให้หมุนได้ มีแท่งขว้างติดอยู่กับใบมีดแต่ละใบเพื่อเอียงให้เป็นมุมที่สูงชันหรือตื้นขึ้น ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของแผ่นด้านบนที่หมุน แผ่นด้านบนหมุนบนแบริ่งรอบๆ แผ่นด้านล่างแบบคงที่ ช่วยให้สามารถโฉบและบังคับทิศทางของเฮลิคอปเตอร์ได้

เป็นที่น่าสังเกตว่าเฮลิคอปเตอร์ไม่สามารถบินได้ด้วยโรเตอร์เพียงตัวเดียวที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตันระบุว่าแรงที่กระทำได้ทุกแรงจะมีแรงปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม เมื่อโรเตอร์ของเฮลิคอปเตอร์หมุนรอบศูนย์กลาง โครงสร้างจึงมีแนวโน้มที่จะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม เพื่อที่จะตอบโต้นั้น จึงมีการใช้แรงบิดสวนทาง ซึ่งสามารถทำได้โดยการติดตั้งโรเตอร์ขนาดใหญ่ตัวที่สองที่หมุนในทิศทางตรงกันข้าม (โรเตอร์แบบคู่) หรือให้โรเตอร์อีกตัวหนึ่งติดตั้งอยู่บนเสาเดียวกันกับโรเตอร์ตัวแรก (โรเตอร์โคแอกเซียล)

ในการออกแบบบางอย่าง แรงบิดในการหมุนจะถูกแก้ไขโดยการใช้ใบพัดขนาดเล็กที่ชี้ไปด้านข้างที่เรียกว่าโรเตอร์หาง โรเตอร์ส่วนท้ายขับเคลื่อนด้วยเพลาขับจากเครื่องยนต์ที่วิ่งผ่านส่วนท้ายของเฮลิคอปเตอร์ อีกทางเลือกหนึ่ง (ไม่มีโรเตอร์ส่วนท้าย) จะใช้ไอพ่นของอากาศที่ถูกบังคับผ่านช่องระบายอากาศที่ส่วนท้ายเพื่อตอบโต้แรงบิดของโรเตอร์หลัก ครีบหางแนวตั้งสามารถช่วยต้านแรงบิดบางส่วนจากมอเตอร์หลักได้

สำหรับการออกแบบโรเตอร์หลักตัวเดียว จำเป็นต้องมีมาตรการตอบโต้เพื่อการบินที่ปลอดภัย เป็นที่น่าสังเกตว่าในกรณีที่เกิดความเสียหายต่อโรเตอร์หางรอง เฮลิคอปเตอร์จะไม่สามารถควบคุมได้อย่างเป็นอันตรายและมักจะส่งผลให้เกิดการชน

โฉบและพวงมาลัย

การออกแบบอันชาญฉลาดของโรเตอร์ทำให้เฮลิคอปเตอร์สามารถลอยอยู่กลางอากาศหรือบังคับทิศทางไปในทิศทางใดก็ได้ มีการควบคุมการเคลื่อนที่และการบังคับเลี้ยวขั้นพื้นฐานห้าแบบสำหรับนักบิน คันโยกสองมือเหล่านี้เรียกว่าการควบคุมระดับเสียงแบบรวมและการควบคุมระดับเสียงแบบวน คันเร่ง และแป้นเหยียบ 2 อัน เฮลิคอปเตอร์มีความแตกต่างกันในลักษณะที่นักบินต้องใช้การควบคุมหลายรายการพร้อมกันเพื่อให้ได้การซ้อมรบที่แตกต่างกัน

ในการที่จะโฮเวอร์ได้ แรงยกและน้ำหนักจะต้องเท่ากัน ณ จุดใดจุดหนึ่งบนอากาศ การเพิ่มและลดแรงยกที่ทำโดยการควบคุมระดับเสียงโดยรวม จะพิจารณาว่าเฮลิคอปเตอร์กำลังปีนหรือลง ส่วนควบคุมจะเพิ่มหรือลดมุมเอียงของใบพัดที่กำลังหมุนโดยสัมพันธ์กับอากาศที่เข้ามา

ในระหว่างการบินขึ้น ใบพัดจะต้องตั้งมุมชันมากขึ้นเพื่อให้เกิดแรงยกสูงสุด ในการที่จะโฮเวอร์ได้ นักบินจะต้องปรับลิฟต์ให้อยู่ในระดับความสูงที่ต้องการ จากนั้นจะต้องเปลี่ยนลิฟต์ให้เท่ากับน้ำหนักของเฮลิคอปเตอร์ นักบินยังใช้การควบคุมคันเร่งเมื่อปรับการยก เช่นเดียวกับคันเร่งของรถยนต์ ความเร็วของเครื่องยนต์จะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ส่งผลให้ใบพัดยกขึ้นหรือน้อยลง

เฮลิคอปเตอร์จะบังคับเลี้ยวเมื่อมีการยกที่ด้านหนึ่งของโรเตอร์มากกว่าอีกด้านหนึ่ง โรเตอร์จะหมุนไปมา (แบบขนนก) ระหว่างการหมุน โดยทำมุมที่ชันทางด้านขวามากกว่าด้านซ้าย ส่งผลให้มีการยกทางด้านขวามากขึ้น วิธีนี้จะเอียงเครื่องบินไปทางซ้ายและบังคับทิศทางไปในทิศทางนั้น กลไกการบังคับเลี้ยวทำได้โดยใช้คันโยกรองซึ่งเป็นตัวควบคุมระดับเสียงแบบวน

ด้วยการเลื่อนคันโยกแบบวนไปทางขวา ใบพัดโรเตอร์จะเอียงไปทางซ้ายเป็นมุมชัน ส่งผลให้ด้านซ้ายมีแรงยกมากขึ้น มุมตื้นและยกน้อยลงบังคับเฮลิคอปเตอร์ไปทางขวา โรเตอร์ขับเคลื่อนด้วยเพลาขับที่เชื่อมต่อกับระบบส่งกำลังและกระปุกเกียร์ ระบบส่งกำลังแบบเดียวกันนี้ส่งกำลังให้กับเพลาขับที่ยาวขึ้นเป็นวินาที โดยหมุนโรเตอร์ส่วนท้าย

โรงไฟฟ้า

แม้ว่าเฮลิคอปเตอร์ขนาดเล็กบางลำจะใช้เครื่องยนต์ลูกสูบ แต่ส่วนใหญ่ใช้เครื่องยนต์กังหันก๊าซ เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ที่ใช้บนเครื่องบินทั่วไป เฮลิคอปเตอร์อาจมีเครื่องยนต์เดี่ยวหรือเครื่องยนต์คู่ที่ขับเคลื่อนโรเตอร์ เฮลิคอปเตอร์เบลล์ขนาดเล็กส่วนใหญ่มีเครื่องยนต์เดี่ยวติดตั้งในแนวนอนด้านหลังโรเตอร์

สำหรับเฮลิคอปเตอร์ขนาดใหญ่ เช่น Seahawk และ Apache ของกองทัพ จะใช้เครื่องยนต์คู่เป็นพลังงาน เฮลิคอปเตอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ใช้เครื่องยนต์เทอร์โบชาฟต์ ซึ่งก๊าซร้อนจากห้องเผาไหม้จะหมุนกังหันกลางและเพลาขับเพื่อส่งกำลังให้กับระบบส่งกำลัง