Döner kanatlı hava aracı

Helikopterler, motorları tarafından döndürülen ana rotor (ve dolayısıyla da palleri) ya da rotorlar vasıtasıyla dikey iniş ve kalkış yapabilen, havada asılı kalabilen (hover), ileriye, geriye ve yanlara doğru uçabilen dönerkanatlı hava araçlarıdır. Helikopterlerin bir ya da daha fazla ana rotor içeren farklı tipleri bulunmaktadır.

Tek bir ana rotora sahip olan helikopterler, rotorun dönüş yönünün tersi yönünde oluşan antitork kuvvetini dengeleyecek bir kuvvet kaynağına ihtiyaç duyarlar. Uygulamalarına çok nadir rastlansa da antitork sistemine ihtiyaç duymayan helikopterler de vardır ve bu helikopterler rotorlarını ve pallerini, pal uçlarında yer alan jet itki sistemlerinin sağladığı güçle döndürürler. Antitork sistemlerine örnek olarak kuyruk rotoru, Fenestron ve NOTAR (No Tail Rotor / Kuyruk Rotoru Yok) verilebilir.

Cyclogyro konsept tasarımı.

Cyclocopter, helikopterlerde olduğu gibi motor ya da motorlar tarafından tahrik edilen ana rotor vasıtasıyla uçuşunu gerçekleştirir, buna ek olarak ise yatay eksen etrafında dönen ve dönme eksenine paralel pallere de sahiptir. Helikopterlere alternatif oluşturması amacıyla birkaç ülke tarafından geliştirme çalışmaları yürütülse de ileri uçuşta verimsizliğin yanı sıra düşük üst hız limiti, yüksek gürültü ve titreşim seviyesi, düşük menzil ve düşük uçuş irtifası gibi dezavantajları vardır. Bazı uçabilen Cyclogyro prototipleri günümüzde ABD, Avusturya, Çin ve Kore'de mevcuttur.

Alman tasarımı bir autogyro

Autogyro (gyrocopter, gyroplane ya da rotaplane de kullanılabilir) gibi dönerkanatlı hava araçları, otorotasyon prensibi kullanılarak döndürülen ve bu sayede kaldırma kuvveti üreten bir rotora sahiptir. Bu araçlarda motor da bulunur ancak bu motor, rotoru döndürmek ve kaldırma kuvveti üretmek için değil, tıpkı uçaklardaki gibi ileri yönde yatay doğrultuda itki üretmek için kullanılır.

Autogyro rotoru görünürde helikopter rotoruna benzese de çalışma prensibi olarak farklıdır. Bu rotorun dönebilmesi için, rotor diskinin içinden akan bir hava akımına ihtiyaç vardır. Diğer bir deyişle Autogyro rotoru dönmek ve kaldırma kuvveti üretmek için, rotasyon prensibine göre etrafından akan hızlı bir hava akımına ihtiyaç duyar. İlk autogyrolar kanatları, burun kısmında yer alan motorları ve yine burun kısmına monte edilmiş pervaneleriyle (çekici) günümüz uçaklarına benziyorlardı. Sonraki yıllarda ortaya çıkan autogyrolarda ise motor ve pervane (itici), aracın arka kısmında yer almaktadır.

Autogyro, 1920 yılında Juan de la Cierva tarafından icat edildi. İlk autogyro test uçuşları ise Etienne Dormoy tarafından Buhl A-1 Autogyro ile yapıldı.

Fairey adlı firmanın rotodyne prototipi.[3]

Gyrodyne tipi dönerkanatlı hava araçlarının rotorları, helikopterlerde olduğu gibi iniş, kalkış ve askı (hover - havada asılı kalma) durumunda aracın kendi motorları tarafından döndürülür. Ancak ileri yöndeki hareket ve antitork kuvveti, aracın kanatlarında, yanlarında ya da arka kısmında yer alan pervane ya da jet motorlarıyla sağlanır. Araç belli bir hıza ulaştıktan sonra rotorlar artık kaldırma kuvveti üretmek için ihtiyaç duydukları gücün tamamını ya da çok büyük bir kısmını, autogyrolardada olduğu gibi aracın ileri yöndeki hareketinden sağlarlar. Gyrodyne ne kadar hızlanırsa, rotorların kendi motorlarına olan ihtiyacı da o ölçüde azalır; ancak yine de seyir esnasında paller üzerinde oluşan sürtünme kuvvetini yenmek amacıyla kendi motorlarından faydalanır. Bu da pallerin hatve açısının (palin yatay düzlemle yaptığı açı) ve flap hareketlerine (kanat çırpma hareketi) duyulan ihtiyacın azalmasını sağlar. Bu şekilde tahrik edilen bir rotor, yüksek seyir hızlarında, geriye doğru hareket eden pallerin stall durumuna düşmesi ve kaldırma kuvveti üretememesi gibi durumların önlenmesi açısından, autogyroların serbest olarak dönebilen ve kendi itki sistemine sahip olmayan rotorlarına göre daha avantajlıdır.

Rotor kite (rotorlu uçurtma) ya da diğer adıyla gyroglider, herhangi bir itki sistemi tarafından tahrik edilmeyen bir dönerkanatlı hava aracıdır. Helikopter ya da autogyro gibi dönerkanatlarda olduğu gibi rotor ya da rotorları tarafından üretilen kaldırma kuvvetiyle uçarlar. Helikopterlerin aksine autogyro ve rotor kite, doğrudan rotorları tahrik etmek için kullanılan bir itki kaynağına sahip değildirler. Autogyro, kendisine ileri yönde itki sağlayan bir güç kaynağına sahiptir ve rüzgar gülüne benzer şekilde, ileri yönde hareketin yarattığı aerodinamik etki sebebiyle rotor ya da rotorların dönmesi sağlanır. Rotor kite ise hiçbir şekilde bir güç kaynağına sahip değildir. Bunun yerine başka bir hava aracından atılabilirler ve yine rüzgar gülünde olduğu gibi rotorların dönüşü sağlanır. Diğer bir yöntem de planörlerdekine benzer şekilde farklı bir araç tarafından çekilmeleri; bu sayede hız kazanmaları ve havalanmalarının sağlanmasıdır.

Dönerkanatların pal sayıları, araçtan beklenen gerekliliklere göre farklılık gösterebilir. İstisnai örnekler mevcut olsa da bu sayı genelde 2 ila 7 arasında değişmektedir.

Dönerkanatlı bir hava aracı, bir ya da birden fazla rotora sahip olabilir. Bu kullanım şekilleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:

• Tek rotor: İlave bir ana rotor bulunmadığından dolayı, antitork kuvveti oluşturacak bir kaynağa ihtiyaç duyarlar. Tipjet gibi istisnalar, bu tanımın dışında tutulabilir. Günümüzde en çok kullanılan tek rotorlu döner kanatlar, helikopterlerdir.
• Çift rotor: Bu tip dönerkanatlı hava araçları, antitork kuvveti oluşturmak için ilave bir kaynağa ihtiyaç duymazlar. Bir ana rotorun tahrik edilmesi sırasında oluşan tork kuvveti, diğer rotorun ters yönde tahrik edilmesiyle oluşan tork tarafından dengelenir. Böylece antitork kuvveti sağlanmış olur. Aynı şekilde rotorlardan kaynaklanan kuvvetler birbirini dengelediği için, aracın yatay eksende dönmesini engelleyecek dikey stabilizeye de (dikey dengeleyici) ihtiyaç yoktur. Çift rotorlu dönerkanat tipleri, aşağıdaki gibi sıralanabilir:
  • Tandem: Arka arkaya.
  • Transverse: Yan yana.
  • Koaksiyel/Eş eksenli: İki farklı rotor diski, eş eksenli olarak üst üste konumlanmıştır ve birbirlerinin tersi yönlerde dönerler. Bu sayede ayrıca bir antitork sistemine olan ihtiyaç da ortadan kalkar.
  • Birbiri içinden geçen (Intermeshing): İki farklı şafta iki ayrı rotor bağlıdır. Bu tip dönerkanatlarda, şaftlar ve rotorlar birbirlerine göre hassas bir açıyla (neredeyse 90 derece) monte edilmişledir. Aynı şekilde pallerin de konumları, hareket esnasında birbirlerine çarpmayacak şekilde belirlenmiştir. Synchropter olarak da adlandırılırlar.
• Üç rotorlu: Yaygın olmayan bu konfigürasyona örnek olarak sadece, 1948 yılında geliştirilen Cierva Air Horse modeli gösterilebilir. Bu büyüklükteki bir hava aracı için tek rotorun yeterli olmayacağı düşünülerek üç rotorlu olarak tasarlanmıştır. Birden fazla ana rotora sahip dönerkanatların aksine tüm rotorlar aynı yönde dönmektedir. Hem antitork kuvveti oluşturmak hem de aracın yatay eksende dönmesini engellemek için tüm rotorların eksenleri birbirlerine göre açılıdır. Bu sayede oluşan yatay kuvvetler, antitork görevi görürler.
• Dört rotorlu: Quadrotor ya da quancopter olarak da adlandırılan bu dönerkanatlar, istisnai tasarımlar haricinde ikisi saat yönünde diğer ikisi de saat yönünün tersine dönen dört adet rotora sahiptir.
• Beş ve üzeri rotorlu: Bu tip dönerkanatlar genelde multirotor olarak adlandırılırlar ancak yaygın olarak altı rotorlu modellere hexacopter[4], sekiz rotorlu modellere de octocopter[5] denir. Bu modellerde karşılıklı rotorlardan biri saat yönünde dönerken diğeri de saat yönünün tersine dönmektedir. Genel olarak insansız hava aracı uygulamalarında karşımıza çıksalar da son dönemlerde insanlı multicopter çalışmaları da hız kazanmış ve bazı prototipler başarılı uçuşlar gerçekleştirmiştir.