Archiv

Hubschraubertechnik

Grundlagen der Hubschrauberfliegerei

Vorbemerkungen

Als Erfinder des Hubschraubers gilt allgemein Leonado da Vinci, mit seinen Zeichnungen aus dem Jahre 1483 hat er praktisch die Grundlagen des Hubschrauberfliegens gelegt. Professor Heinrich Focke entwickelte den ersten Serienhubschrauber der Welt. Von einem anderen Hubschrauberpionier, Igor Sikorsky, ist folgendes Zitat überliefert:
" Die vielen Verwendungen, die Hubschrauber heute finden, habe ich nicht vorrausgesehen. Aber ich bin der Überzeugung gewesen ,daß ein Fluggerät, das wie ein Kolibri fliegen kann, äußerst nützlich sein würde."
Sikorsky hat nicht übertrieben, so zeigt der Hubschrauber gegenüber dem Starrflügler eine Vielzahl von Vorteilen. Er kann aus dem Stand abheben und senkrecht landen, vorwärts, rückwärts und seitwärts fliegen, senkrecht steigen und sinken, in der Luft schweben und sich dabei um seine vertikale Achse drehen. Diese Vorteile besitzt der Hubschrauber deshalb, weil bei ihm im Gegensatz zum Starrflügler der Auftrieb ohne Vortrieb erzeugt wird.

Themenauswahl

(wird ständig erweitert)
Abkürzungen und Fachbegriffe
Auftrieb im Schwebeflug
Boden-Effekt / Ground-Effekt
Vertikaler Steig- und Sinkflug
Kräftegleichgewicht beim Schwebeflug und Horizentalflug
Rotoranordnungen
NOTAR (No Tail Rotor/ohne Heckrotor)
Verwandlunghubschrauber/Tiltrot

Abkürzungen und Fachbegriffe

Fachbegriffe:
"Hovern" - englischer Begriff für Schwebeflug, langsamer Vorwätsflug in Bodennähe
"Pitch" - Steuerorgan des Piloten zur kollektiven (gleichmässigen) Hauptrotorblattverstellung
"Stick" - Steuerorgan des Piloten zur zyklischen (periodischen) Hauptrotorblattverstellung.
"NOTAR" - NO Tail Rotor - ohne Heckrotor

Abkürzungen:
MPC =  Maximale kontinuierliche Leistung
OGE = Out of Ground-Effect - Ausserhalb des Boden-Effektes
IGE = In Ground-Effect - Innerhalb des Boden-Effektes

Auftrieb im Schwebeflug

Genau wie das Flugzeug, ist der Hubschrauber (da der Hubschrauber unter den Drehflüglern eine bevorzugte Stellung einnimmt, beziehen sich unsere Betrachtungen vornehmlich auf ihn) ein Luftfahrzeug schwerer als Luft. In beiden Fällen muß die Gewichtskraft durch eine entgegengesetzte Auftriebskraft überwunden werden.
Durch die Drehgeschwindigkeit des normalerweise aus mehreren Rotorblätterr bestehenden Rotors wird das Profil angeblasen und umströmt. Der entstehende Auftrieb ist abhängig vom Anstellwinkel und der Strömungsgeschwindigkeit; diese wiederum ergibt sich aus der Drehzahl bzw. der Umfangsgeschwindigkeit. Es besteht also keine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit des Rumpfes zur umgebenden Luft und der Drehgeschwindigkeit des Rotors. Der Hubschrauber ist senkrechtstartfähig; er benötigt keine Vorwärtsbewegung und er kann auf der Stelle schweben (auch ,,hovern" genannt).
Die Luftströmung verläuft hierbei von oben nach unten durch den Rotorkreis. Durch den positiven Anstellwinkel entsteht eine Beschleunigung der durch den Rotorkreis fließenden Luftmasse. Diese Beschleunigung ruft eine Reaktionskraft hervor, die als Schub bezeichnet wird. Im Schwebeflug muß der Rotorschub gleich dem Hubschraubergewicht sein. Da aber der im Rotorabwind liegende Rumpf der Luftströmung einen Widerstand entgegensetzt, muß dieser zusätzlich überwunden werden. Deshalb muß der für den Schwebeflug erforderliche Rotorschub, abhängig von der Form und Größe des Rumpfes, um etwa 2 bis 3 % größer sein als das Hubschraubergewicht.

Boden-Effekt/Ground-Effekt

Schwebeflug mit Bodeneffekt

Beim Schwebeflug in Bodennähe (Höhe des Rotors über Grund etwa gleich dem Rotordurchmesser) kann der Luftstrom durch die Bodenreibung nicht so schnell abfließen wie er durch den Rotor gefördert wird. Hierdurch entsteht ein Luftpolster mit leichtem Überdruck.
Der Hubschrauber ist in der Lage in dieser Höhe mit geringerer Triebwerksleistung zu schweben als in unbeeinflußter Atmosphäre. Andererseits kann er bei gleicher Triebwerksleistung größere Lasten heben. Der Bodeneffekt ist beim Hubschrauberstart und bei Einsätzen im Hochgebirge von großer Bedeutung.

Vertikaler Steig- und Sinkflug

Um aus dem Schwebeflug in den senkrechten Steigflug überzugehen, muß der Einstellwinkel aller Rotorblätter gleichmäßig durch den kollektiven Blattverstellhebel (Pitch) vergrößert werden. Eine Vergrößerung des Rotorschubes und des Auftriebes bringt auch eine Vergrößerung des Blattwiderstandes mit sich, der durch erhöhte Triebwerksleistung überwunden werden muß. Das Angleichen der Motorleistung kann sowohl durch einen Drehgasgriff als auch automatisch über Triebwerksleistungsregler erfolgen.Sobald der Hubschrauber in einen gleichmäßigen Steigflug übergegangen ist, kann der Rotorschub auf eine Größe reduziert werden, die dem Gewicht plus dem Widerstand der Zelle entspricht.



Wird der Anstellwinkel durch drücken des kollektiven Blattverstellhebels verkleinert, verringern sich Rotorschub und Auftrieb - es wird der Sinkflug eingeleitet. Soll die Rotordrehzahl konstant bleiben, so muß die Triebwerksleistung verringert werden, da der Widerstand der Rotorblätter ebenfalls kleiner geworden ist.

Kräftegleichgewicht beim Schwebeflug und Horizentalflug

Rotoranordnungen



Konventionelle Bauweise: - 1 Hauptrotor - 1 Heckrotor zum Momentausgleich



Koaxiale Bauweise : - 2 Hauptrotoren - gegenläufig - die Momente heben sich gegenseitig auf

Tandemanordnung : - 2 Hauptrotoren - hintereinander - gegenläufig - die Momente heben sich gegenseitig auf

Paralellanordnung : - 2 Hauptrotoren  - nebeneinander - gegenläufig - die Momente heben sich gegenseitig auf
 
Ineinander Kämmend : - 2 Hauptrotoren - ineinanderkämmend - gegenläufig - die Momente heben sich gegenseitig auf

NOTAR (No Tail Rotor/ohne Heckrotor)

Drehmomentausgleich ohne Heckrotor
Das System NOTAR (No Tailrotor) ist eine altanative Lösung des Drehmomentausgleiches bei Hubschraubern mit einem Hauptrotor. Bei diesem System wird der Schub nicht durch einen Heckrotor erzeugt, sondern durch ein Gebläse in Verbindung mit einer verstellbaren Steuerdüse. Darüber hinaus ist der Leitwerksträger (Heckausleger) aerodynamisch so geformt, daß die nach unten vorbeiströmende Luft des Hauptrotors (Downwash) diesen Schub unterstützt (siehe Animation).
(Michael Köllner)

Verwandlunghubschrauber/Tiltrotor
Tiltrotor ( Kipprotor- oder Verwandlungshubschrauber) hier die Bell Model 609

Bei dieser Bauweise der Drehflügelflugzeuge stand, wie beim Kombinations-Flugschrauber, die Erhöhung der Fluggeschwindigkeit im Vordergrund.  Nur daß sich hier die Konfiguration der Flugmaschine änderte: während des Fluges wird aus einem Hubschrauber, durch Schwenken des Rotors nach vorn, ein normales Flugzeug mit hoher Fluggeschwindigkeit.
In neuerer Zeit versucht man sogar, unter Benutzung gesonderter Vortriebsorgane und dann falt- und einziehbarer Rotoren, die Geschwindigkeit in den Überschallbereich zu bringen.  Die Schwierigkeiten bei der Entwicklung der Verwandlungshubschrauber bestehen darin, daß ein guter und leistungsfähiger Hubschrauberrotor nicht immer auch gleichzeitig ein guter Propeller für den Reiseflug sein kann, weil die Arbeitsbedingungen für beide grundverschieden sind.  Die Vorteile sind aber so bestechend, daß von fast allen Herstellerfirmen an diesen Projekten zumindest theoretisch gearbeitet wird.
Nur die Firma Bell Textron, in Zusammenarbeit mit Boeing, hat diese Art von Hubschrauber bis zur Serienreife gebracht, mit dem Militärtransporter V-22 "Osprey" für das Marinecorps der USA.
In der weiteren Entwicklung steht auch ein ziviler Verwandlungshubschrauber, die Bell 609 ( siehe oben ) die wohl eine Revolution auf dem zivilen Markt der Geschäftsflugzeuge darstellt (ich habe ein Mock-Up auf der ILA 98 in Berlin gesehen und sie machte einen sehr guten Eindruck).
(Michael Köllner)