Flugmechanik der Hubschrauber

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1 Walter Bittner Flugmechanik der Hubschrauber Technologie, das flugdynamische System Hubschrauber, Flugstabilitäten, Steuerbarkeit 3., aktualisierte Auflage 4u Springer

2 Inhaltsverzeichnis Verwendete Formelzeichen XIX 1 Evolution des Hubschraubers Die Natur hat Drehflügler, aber keine Hubschrauber hervorgebracht Entwicklung des Hubschraubers Periode der Tragschrauber ( ) Erfindung und Verwirklichung des Schlaggelenkes Erfindung des Schwenkgelenkes Unterschied zwischen Propeller (als Hubschuberzeuger) und Rotor Entstehen der ersten brauchbaren Hubschrauber Breguet/Dorand Professor Focke Igor Sikorsky Phase der Reife und Spezialisierung 15 2 Hubschraubermissionen und Markt 19 3 Wesentliche Bauelemente der Hubschrauber Übersichten Beschreibung und Wirkungsweise des Hauptrotors Blattanlenkung, Schlag- und Schwenkbewegungen Kollektive und zyklische Blattverstellung Taumelscheibe, Steuermomente Steuerelemente Rotorbedingte Kopplungen Belastung des Rotormastes 41

3 XIV Inhaltsverzeichnis 4 Grundzüge der Leistungsrechnung Strahltheorie (Bernoulli) Der stationäre Schwebeflug Reale Rotoren im Schwebeflug Senkrechter Steigflug (idealer Rotor) Senkrechter Sinkflug (idealer Rotor) Der langsame Sinkflug Das Wirbelringstadium (WR) Der schnelle Sinkflug Autorotation (AR) Strahlkontraktion Übergang zum Flug mit Horizontalgeschwindigkeit Die Blattelementenmethode Ideale Verwindung Mittlere aerodynamische Beiwerte und Einstellwinkel Reale und sonstige Effekte Ungleichförmige induzierte Geschwindigkeit Blattspitzenverluste Trapezform, Zuspitzung Bodeneffekt Drall, Zirkulation, dynamische Verwindung, Grenzschicht Leistungsbedarf im Schwebeflug 69 5 Die Schlagbewegung der Rotorblätter Trägheitsmoment des Rotorblattes Herleitung der Schlaggleichung Rotoren mit zentralem Schlaggelenk Ein Blick in die Schwingungslehre Rotoren mit Schlaggelenksabstand Die Schlagbewegung unter Einbeziehung der Luftkräfte Der gelenklose Rotor Quantifizierung der Schlagbewegung Die Rotoransteuerung Der Konuswinkel Die Schlagkoeffizienten 83 6 Die Schwenkbewegung der Rotorblätter Schwenken zunächst ohne Coriolis- und Luftkräfte Die Schwenkbewegung unter Berücksichtigung der Luft- und der Corioliskräfte 87

4 Inhaltsverzeichnis XV 7 Die höherfrequenten Rotorblattschwingungen Blattverformungen, das Resonanzdiagramm Formänderungen des Rotorsystems, Luft- und/oder Bodenresonanz Unterdrückung von Schwingungen und Vibrationen 94 8 Leistungsbedarf, Flugleistungen Einsatzenvelope von Hubschraubern Wichtige Leistungsparameter und -begriffe Standardbedingungen, Druckhöhe/Dichtehöhe Die Leistungspolare Schwebeflug Vorwärtsflug Induzierte Leistung Profilwiderstandsleistung Schädliche Leistung Manöverleistung am Beispiel Steigen" Gesamtleistungsbedarf Flugleistungen Triebwerksleistungen Leistungsbilanzen Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm, Avoid Zones Autorotation (AR) Auslegung des Hauptrotors Rotordurchmesser Blattspitzenumlaufgeschwindigkeit Blattgeometrie Blattflächen und-tiefen Manövrierbarkeit Blattzahl Trapezform, Zuspitzung Verwindung Profilierung Grenzen des maximalen Auftriebsbeiwertes, stationär Maximale Auftriebsbeiwerte im Bereich hoher Machzahlen Instationäre Auftriebsbeiwerte Der Widerstandsbeiwert, stationär und dynamisch Der Momentenbeiwert stationär und dynamisch Feinabstimmungen der Profilierung Weitere Auslegungsparameter Drehrichtung, Trägheitsmomente, Blattspitzen Zusammenstellung aktueller Rotoren 144

5 XVI Inhaltsverzeichnis 10 Der Hubschrauber als Gesamtsystem Die Bewegungsgleichungen Der allgemeine instationäre Flug Eingrenzung der Freiheitsgrade Der stationäre Flug Schwebeflug als Grenzfall sehr langsamen Vorwärtsfluges Stationärer Vorwärtsflug Flugdynamik Linearisierter Ansatz für die Luftkräfte Die Bewegungsgleichungen für kleine Störungen Flugdynamische Eigenschaften Ermittlung der Eigenwerte Laplace-Transformation der Bewegungsgleichungen Dynamikmatrix, charakteristische Gleichung Stabilitätskriterien Typische Eigenwerte eines Beispiel-Hubschraubers Inverse Bestimmung der Derivativa, Übertragungsfunktionen System- oder Parameter-Identfikation Multidimensionale Vorgehensweise der Flugregelung Flugtechnische Stabilitäten Die statische Längsstabilität Die Anstellwinkelstabilität Richtungsstabilität, Spiralbewegung Das laterale Gleichgewicht Dynamische Stabilität Mindestforderungen bezüglich der Stabilitäten Künstliche Stabilität, Flugregelung Kopplungen Steuerbarkeit Steuerbarkeitsforderungen an Zivilhubschrauber Zeitkonstante, Steuerempfindlichkeit, -Wirksamkeit Rating Scales Normpilotenmodell Das Steuerbarkeitsdiagramm Langsame Steuereingaben Ursprüngliche Forderungen Neufassung der Steuerbarkeitsforderungen 195

6 Inhaltsverzeichnis XVII 12.6 Höherfrequente Ansteuerungen/Reaktionen Dynamische Stabilitätskriterien mittelschneller Reaktionsbewegungen Die Nickbewegung Die Rollbewegung Sekundärreaktionen Hochfrequente rückkoppelnde Steuerbewegungen kleiner Amplituden Grundlagen Geforderte Systemeigenschaften Ergebnisse aus der Flugerprobung Vergleichende Darstellung von Messergebnissen Flugerprobung unter Berücksichtigung der neuen Kriterien Spiegelung des Aeronautical Design Standard 33 an Projekten Nachweisbedingungen Zuordnung der Leistungskategorien zu den MTE Sichtverhältnisse, G/DVE Hilfen zur Wahrnehmung der Umgebung, UCE Einsatzenvelope (Operational Flight Envelope, OFE) Geteilte Aufmerksamkeit (Divided Attention Operation, DAO) Ausfälle Die neue Systematik in der Praxis Definitionen und Generelles Quantitative Kriterien Hochfrequente Steuerbarkeit der UH-60A Black Hawk Flugversuchsmanöver Flugversuchsmanöver für Transporthubschrauber Definition der Versuchsbedingungen und -manöver Auswertung der Messkampagnen Ausblick 231 Herangezogene Literatur 232 Bildnachweis 233 Stichwortverzeichnis 234