Funktion. Änderung der Flugrichtung. Starrer Rotorkopf einer Bo 105

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1 Funktion Starrer Rotorkopf einer Bo 105 Die rotierenden Rotorblätter erzeugen durch die anströmende Luft einen dynamischen Auftrieb. Wie bei den starren Tragflächen eines Flugzeugs ist dieser abhängig von ihrem Profil, dem Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit der Luft. Beim schwebenden Hubschrauber entspricht die Anströmgeschwindigkeit der Umlaufgeschwindigkeit. Wenn ein Hubschrauber sich vorwärts bewegt, ändert sich die Anströmgeschwindigkeit, da sich Umlauf- und Fluggeschwindigkeit des nach vorne bewegten Blattes addieren. Beim zurücklaufenden Blatt subtrahieren sie sich, siehe auch Skizze unter Flugleistungen. Durch die Aerodynamik der Rotorblätter entstehen beim Flug asymmetrische Kräfte auf die jeweils nach vorne und nach hinten bewegten Blätter, die bei älteren Modellen durch Schlagund Schwenkgelenke an der Befestigung, dem Rotorkopf, aufgefangen werden mussten. Neuere Konstruktionen kommen ohne diese Gelenke aus. Rotorkopf und -blätter bestehen bei diesen neueren Modellen aus Materialien, welche die in Größe und Richtung sich ständig ändernden dynamischen Kräfte bewältigen können, ohne dass die Bauteile hierdurch Schaden nehmen. Ein solcher gelenkloser Rotorkopf wurde erstmals bei der Bo 105 durch Blätter aus GFK und einen massiven Rotorkopf aus Titan realisiert. Beim EC 135 wurde dieser zum lagerlosen Rotorkopf weiter entwickelt, der sich bei den meisten Modellen durchgesetzt hat. Änderung der Flugrichtung Die zyklische Blattverstellung dient der Steuerung der zweidimensionalen Horizontalbewegung des Hubschraubers durch Neigung der Hauptrotorebene, das heißt zum Einleiten oder Beenden von Vorwärts-, Rückwärts- oder Seitwärtsflug. Hierbei werden die Einstellwinkel der Blätter während des Umlaufs des Rotors (zyklisch) verändert. Zum Vorwärtsflug werden sie so geändert, dass sich die Rotorebene nach vorne neigt, der Luftstrom erhält eine nach hinten gerichtete Komponente und erzeugt so eine den Hubschrauber nach vorne treibende Kraft oder Schub. Die zyklische oder rotationsperiodische Blattverstellung ist für jeden Hubschrauber mit feststehendem Rotor für den Schwebeflug unerlässlich. Mit der kollektiven Blattverstellung oder Pitch verändert der Pilot den Anstellwinkel aller Rotorblätter gleichmäßig, was zum Steigen oder Sinken des Hubschraubers führt. Einfache Konstruktionen, etwa bei verschiedenen Elektroantrieben im Modellbau, ersetzen diese Steuerung durch eine Drehzahländerung. Nachteilig ist dabei die längere Reaktionszeit durch die Massenträgheit des Hauptrotors.

2 Die Ansteuerung der Rotorblätter erfolgt meist durch eine Taumelscheibe, deren unterer, feststehender Teil vom Piloten mit Hilfe des kollektiven Verstellhebels nach oben oder unten verschoben wird. Mit dem zyklischen Steuerknüppel kann dieser wiederum in jede Richtung geneigt werden. Der obere, sich mit dem Rotor drehende Teil der Taumelscheibe überträgt über Stoßstangen und Hebel an den Blattwurzeln den gewünschten Einstellwinkel auf die Rotorblätter. Rotorvarianten und Giermomentausgleich Ummantelter Heckrotor oder Fenestron an einem EC 120 Koaxialhubschrauber KA-27 der russischen Marine. Man unterscheidet Einrotorsysteme, Doppelrotoren und vier Rotoren (Quadrocopter). Mit Ausnahme des Blattspitzenantriebs wird der Rotor stets durch einen Antrieb im Rumpf in Drehung versetzt. Somit entsteht beim gebräuchlichsten Einrotorsystem an der Rotorachse ein Drehmoment (Giermoment), das eine entgegengesetzte Drehung des Rumpfes bewirkt. Um dies zu vermeiden, gibt es mehrere Möglichkeiten: Erzeugung eines seitlichen Gegenschubs entweder durch einen Heckrotor, auch gekapselt als Mantelpropeller beim Fenestron oder durch Schubdüsen beim NOTAR System. Zwei gegenläufige Hauptrotoren, deren Giermomente sich ausgleichen durch Anordnung übereinander auf derselben Achse (Koaxialrotor), hintereinander (Tandem-Konfiguration) oder nebeneinander (transversal). Eine weitere Variante sind die ineinander greifenden Rotoren mit nahe zusammen liegenden, zueinander schräg gestellten Drehachsen beim Flettner-Doppelrotor. Beim Sikorsky X2 ermöglicht diese Bauweise auch höhere Geschwindigkeiten in Kombination mit einem Schubpropeller, der erstmals 1946 beim Fairey Gyrodyne genutzt worden war. Der Quadrocopter verwendet vier Rotoren in einer Ebene und erlaubt allein durch Verstellung von Pitch oder Drehzahl eine Steuerung um alle drei Achsen. Auf Basis dieser Technologie werden auch Muster mit 6, 8 und 12 Rotoren eingesetzt. Nur selten (Cierva W.11), in der Planung (Mi-32) oder im Modellbau (Tribelle, Tricopter) traten Dreifach-Rotoren auf, bei denen das Drehmoment durch leichtes

3 Kippen der Rotorhochachsen oder auch durch Schwenkbarkeit einer der Rotoren ausgeglichen wird. Ein System mit zwei Rotoren ist zwar technisch die effizientere Konstruktion, da alle Rotoren zum Auf- und Vortrieb genutzt werden; während der Heckrotor im Schwebebetrieb etwa 15% der Gesamtleistung kostet. In der Praxis hat sich aber weitgehend das Einrotorsystem mit einem Heckrotor durchgesetzt. Ökonomisch schlagen hier die niedrigeren Bau- und Wartungskosten bei nur je einem Rotorkopf und Getriebe ins Gewicht, da diese die beiden aufwändigsten und empfindlichsten Baugruppen eines Hubschraubers sind. Bei zwei Rotoren sind zudem auch zwei Motoren samt Kopplungsgetriebe notwendig, um die nicht aussteuerbare Unsymmetrie des Auftriebs bei Ausfall eines der beiden Rotorantriebe zu verhindern. K-Max mit gegenläufigem Flettner-Doppelrotor Heckrotoren gibt es in Ausführungen mit zwei bis fünf Blättern. Um den Lärm zu verringern, werden teils vierblättrige Rotoren in X-Form eingesetzt. Eine besonders leise Variante ist der Fenestron, ein ummantelter Propeller im Heckausleger mit bis zu 18 Blättern. Meist wird der Heckrotor aus dem Hauptgetriebe über Wellen und Umlenkgetriebe angetrieben, so dass seine Drehzahl stets proportional zu der des Hauptrotors ist. Der Schub zur Steuerung um die Gierachse wird dann vom Piloten mit den Pedalen über den Einstellwinkel der Heckrotorblätter geregelt, analog der kollektiven Verstellung des Hauptrotors. Während des Reiseflugs wird bei vielen Konstruktionen der Heckrotor dadurch entlastet, dass ein Seitenleitwerk das Giermoment weitgehend kompensiert. Dies ist meist durch Endscheiben an der horizontalen Dämpfungsfläche realisiert, die zur Rumpflängsachse schräg gestellt sind; bei einer einzelnen Seitenflosse in der Regel zusätzlich durch ein asymmetrisches Profil. Sollte der Antrieb ausfallen, können Hubschrauber trotzdem noch landen. Dazu muss der Pilot in einen steilen Sinkflug übergehen, wobei der freilaufende Rotor durch die nun in umgekehrter Richtung, von unten nach oben, strömende Luft in Drehung gehalten wird eine Autorotation wie beim Tragschrauber. Ein Giermomentausgleich ist dabei nicht notwendig; eine solche Landung ist daher auch beim Ausfall des Heckrotors möglich, zum Beispiel bei Bruch der Antriebswelle, des Winkelgetriebes oder des ganzen Heckauslegers. Kurz vor dem Aufsetzen wird nun der kollektive Einstellwinkel vergrößert und damit der Auftrieb erhöht, um möglichst weich aufzusetzen. Der Verlust der Steuerung um die Hochachse und die Notwendigkeit, den richtigen Moment genau zu treffen, da die kinetische Energie des Rotors nur für einen Versuch ausreicht, macht dieses Manöver jedoch stets riskant.

4 Steuerung Helikopter-Steuerknüppel Ein Hubschrauber ist ein nicht eigenstabiles Luftfahrzeug er hat vor allem im Schwebeflug und langsamen Flug stets die Tendenz, seine Fluglage zu verlassen und in die eine oder andere Richtung zu schieben, sich zu neigen oder zu drehen. Dies ist u. a. darin begründet, dass der Neutralpunkt über dem Rumpf und damit über dem Schwerpunkt liegt. Der Pilot muss diese Bewegungen durch kontinuierliche, entgegen wirkende Steuereingaben abfangen. Bei einer Fluggeschwindigkeit oberhalb von ca. 100 km/h verhält sich ein Hubschrauber ähnlich wie ein Tragflächenflugzeug und ist entsprechend einfach zu steuern. Anders als im Starrflügel-Flugzeug sitzt der Pilot eines Hubschraubers in der Regel auf der rechten Seite. Zur Steuerung benötigt er beide Hände und Füße: Mit der linken Hand kontrolliert er über einen Hebel die kollektive Blattverstellung (engl. Pitch) und damit den Auftrieb. Um beim Aufstieg den Abfall der Rotordrehzahl zu verhindern, wird auch die Motorleistung und damit das erzeugte Drehmoment erhöht, entweder manuell, mit einem Drehgriff an diesem Hebel, oder automatisch. Mit der rechten Hand kontrolliert der Pilot über den Steuerknüppel die zyklische Blattverstellung, das heißt die Neigung der Taumelscheibe und damit die Bewegung um Längs- und Querachse. Am Boden finden sich zwei Pedale, mit denen der Heckrotor und damit die Bewegung um die Gierachse gesteuert wird, also die Rechts-Links-Drehung. Flugleistungen Geschwindigkeitsüberlagerung am vor- und rücklaufenden Blatt

5 Hubschrauber erreichen prinzipiell nicht die Flugleistungen von Starrflügelflugzeugen: Die Höchstgeschwindigkeit liegt meist zwischen 200 und 300 km/h, einige Kampfhubschrauber erreichen über 360 km/h. Der Geschwindigkeits-Rekord liegt bei 400,87 km/h und wurde am 11. August 1986 mit einem Westland Lynx erzielt. Die Höchstgeschwindigkeit wird dabei durch die Aerodynamik der Rotorblätter begrenzt: Das jeweils nach vorne laufende Blatt hat gegenüber der von vorn anströmenden Luft eine höhere Geschwindigkeit als das nach hinten laufende. Nähert sich nun das vorlaufende Blatt im Außenbereich der Schallgeschwindigkeit, kommt es dort zu Effekten wie Abfall des Auftriebs, starke Erhöhung des Widerstands und große Blattbeanspruchung durch Torsionsmomente. Dies äußert sich zum Beispiel in starken Schwingungen und erschwert so dem Piloten die Kontrolle über den Hubschrauber. Häufig wird die Geschwindigkeit eines Hubschraubers jedoch durch das rücklaufende Rotorblatt begrenzt: Hier führt die Kombination aus hohem Anstellwinkel (zyklische Verstellung, s. o.) und geringer Strömungsgeschwindigkeit zum Strömungsabriss und damit zum Auftriebsverlust. Viele Hubschrauber kippen daher beim Erreichen der kritischen Geschwindigkeit zuerst auf die Seite, auf der sich die Rotorblätter nach hinten bewegen, bevor die nach vorne bewegten Blätter in den Überschallbereich gelangen. Auch die Gipfelhöhe ist begrenzt und liegt typisch etwa bei Metern, wobei einzelne Modelle bis zu Meter erreichen. Der Höhenrekord von m ( ft) wurde im Mai 2005 von Didier Delsalle mit einem darauf optimierten Eurocopter AS 350 aufgestellt. Der Kraftstoffverbrauch eines Hubschraubers liegt bei gleicher Zuladung auf die Flugstrecke bezogen meist deutlich über dem eines Tragflächen-Flugzeugs. Der Vorteil eines Hubschraubers aber liegt in der Fähigkeit, in der Luft stehen zu bleiben (Schwebeflug, auch Hover genannt), rückwärts oder seitwärts zu fliegen, sowie sich im langsamen Flug um die Hochachse (Gierachse) zu drehen. Weiterhin kann er senkrecht starten und landen (VTOL) und benötigt daher keine Start- und Landebahn. Steht kein regulärer Hubschrauberlandeplatz zur Verfügung, reicht dazu bereits ein ebener und hindernisfreier Platz von ausreichendem Durchmesser.