Grundlagen der Hubschrauber-Aerodynamik

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Walther Maurer
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1 Berend Gerdes van der Wall Grundlagen der Hubschrauber-Aerodynamik 45l Springer Vieweg

2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis XIII Tabellenverzeichnis XIX Bezeichnungen XXI Vorwort XXIX Danksagung XXXI 1 Einführung 1 11 Einleitung 1 12 Die Entwicklungsgeschichte der Drehflügler Literatur zur Geschichte und Theorie des Drehflüglers Von der Antike bis Die Pionierzeit des Hubschraubers: 1900 bis Entwicklungen bis zum Ende des 2 Weltkriegs Entwicklungen nach dem 2 Weltkrieg Entwicklung der Größe und Flugleistungen von Drehflüglern Muskelkraftgetriebene Hubschrauber (Human Powered Helicopter) Elektrische Hubschrauber Der Blattanschluss am Rotorkopf Einleitung Zentrales Schlaggelenk Gimbalrotor Voll gelenkige Rotoren Gelenklose Rotoren Lagerlose Rotoren Heckrotoren Grundbegriffe Klassifikation von Luftfahrzeugen 82 V

3 Inhaltsverzeichnis VI 142 Drehflügelkonzepte Marktentwicklung Vergleich zum Flächenflugzeug Steuerelemente Bezeichnungen und Beispielhubschrauber Bol Hubschraubermuseen Hubschrauberhersteller Übungen zu Kap Geschichte der Drehflügler Blattanschluss am Rotorkopf Kurzfragen Literaturverzeichnis 97 2 Grundlagen der Drehflügleraerodynamik Einleitung Charakterisierung der Flugzustände Aerodynamische Phänomene Grundgleichungen zur Strahltheorie Schwebeflug Induzierte Geschwindigkeit Druckverlauf Schub und Leistung Dimensionslose Beiwerte Profilwiderstand und globale Korrekturen Einfluss der Kompressibilität Leist ungsgütegrad Blattspitzenverluste Spezifische Rotorblattbelastung Leistungs- und Flächenbelastung Axialer Steig- und Sinkflug Strömungszustände im axialen Flug Steigflug Schneller Sinkflug: Windmühlenstadium Langsamer Sinkflug, Wirbelringstadium Leistungsbedarf im axialen Flug Autorotation Strahleinschnürung Bodeneffekt Nachbarschaft von Rotoren Ummantelte Rotoren 145

4 VIT Inhaltsverzeichnis 24 Vorwärtsflug Schub und Leistung Induzierte Geschwindigkeit Leistungsbedarf im Vorwärtsflug Bodeneffekt im Vorwärtsflug Wirbelringstadium im Vorwärtsflug Übungen zu Kap Kurzfrage Strahltheorie Leistungsrechnung mit der Strahltheorie Leistungsrechnung: Bodeneffekt, Steigflug, Sinkflug, Autorotation Literaturverzeichnis Die Blattelemententheorie Einleitung Koordinatensysteme Schwebeflug sowie axialer Steig- und Sinkflug Grundlegende Zusammenhänge Näherungslösungen für Schub und Leistung Lösung für unverwundene Rotorblätter und konstan ten Durchflussgrad Blattspitzenverluste, Profilwiderstand Beispiel der Anwendung Lösung für linear verwundene Rotorblätter und kon stanten Durchfluss Kombinierte Blattelementen- und Strahltheorie Induzierter Durchflussgrad im Schwebe-, Steig- und schnellen Sinkflug Die ideale Verwindung Beispiel zur Blattelemententheorie Numerischer Lösungsansatz Der optimale Schwebeflugrotor Zirkulationsverteilung Blattspitzenverluste Einfluss der Kompressibilität Verschiedene Definitionen der Flächendichte Der mittlere Auftriebsbeiwert und der mittlere Anstell winkel Vergleich mit Messungen an Modellrotoren 212

5 Inhaltsverzeichnis VIII 3412 Schlussfolgerungen Vorwärtsflug Geschwindigkeiten am Blattelement Bereich rückwärtiger Anströmung Modellierung der induzierten Geschwindigkeiten Modellierungen höherer Ordnung Autor otation Vertikale Autorotation Autorotation im Vorwärtsflug Übungen zu Kap Kurzfragen Leistungsrechnung mit der Blattelemententheorie Autorotationsrechnung mit der Blattelemententheorie Literaturverzeichnis Die Bewegung rotierender Flügel Einleitung Grundlagen der Schwingungsbewegung Die Schlagbewegung des starren, gelenkig angeschlossenen Rotorblattes Aufstellung der Bewegungsdifferentialgleichung Blattmasse und statisches Massenmoment Das Massenträgheitsmoment Die Zentrifugalkraft und ihr Moment Das Coriolismoment Das aerodynamische Moment Das Feder- und Dämpfermoment Der Schwebeflug Der Vorwärtsflug bei a = Schlussbemerkungen Die Schwenkbewegung Aufstellung der Bewegungsdifferentialgleichung Massen-, Trägheits-, Feder- und Dämpfermomente 443 Das Moment aus der Zentrifugalkraft Das Coriolismoment Das aerodynamische Moment Der Schwebeflug Schlussbemerkungen Die Torsionsbewegung Aufstellen der Bewegungsdifferentialgleichung 277

6 IX Inhaltsverzeichnis 452 Massen-, Trägheits- und Federmomente Das Propellermoment Das aerodynamische Moment Der Schwebeflug Das Eigenfrequenz- oder Fan-Diagramm Kopplungen von Schlag- und Steuerbewegung Schlussbemerkungen Die Kräfte und Momente am Rotorkopf Koordinatensysteme Blattanschlusskräfte Die Rotorkomponenten im nicht drehenden System Schlussbemerkungen Übungen zu Kap Kurzfragen Blattbewegung im Schwebeflug Blattbewegung im Vorwärtsflug Literaturverzeichnis Leistungsberechnung im stationären Flug Einleitung Trimmung des Hubschraubers Einleitung Vereinfachte Trimmrechnung Berechnung der Rotorkräfte Aerodynamische Wechselwirkungen (Interferenzen) Beispiele zur Trimmrechnung Zusammensetzung der Gesamtleistung Axialer Steig- und Schwebeflug Leistungsbedarf im Schwebeflug Maximale Steiggeschwindigkeit Maximale Sinkrate Vorwärtsflug Leistungsbedarf im Horizontalflug Gleit Verhältnis Maximale Steiggeschwindigkeit Maximale Sinkrate Längste Flugdauer Maximale Reichweite Übungen zu Kap Literaturverzeichnis 335

7 Inhaltsverzeichnis X 6 Grundlagen des Hubschrauberentwurfs Einleitung Hauptrotorentwurf Rotorradius Blattspitzengeschwindigkeit Flächendichte Blattzahl Verwindung Zuspitzung und Pfeilung Profilauswahl Blattspitze Rumpfeinflüsse Das Höhenleitwerk Das Seitenleitwerk Der Heckrotor Konventioneller Heckrotor Alternative Konstruktionen Überwindung der Grenzen von Hubschraubern Übungen zu Kap Literaturverzeichnis Fachbegriffe, Tabellen und ergänzendes Material Englische Fachbegriffe Technische Daten früher Hubschrauberentwürfe Technische Daten der Bol Tabellen der Blattanschlusskräfte Umrechnung der Einheiten Schlagbewegung im Vorwärtsflug Blattelemententheorie: Variation des Schubbeiwertes Lösungen zu den Übungsaufgaben Lösungen zu den Übungen von Kap Geschichte der Drehflügler Blattanschluss am Rotorkopf Lösungen zu den Übungen von Kap Kurzfrage Strahltheorie Leistungsrechnung mit der Strahltheorie Leistungsrechnung: Bodeneffekt, Steigflug, Sinkflug, Autorotation 398

8 XI Inhaltsverzeichnis 83 Lösungen zu den Übungen von Kap Kurzfragen Leistungsrechnung mit der Blattelemententheorie Autorotationsrechnung mit der Blattelemententheorie Lösungen zu den Übungen von Kap Kurzfragen Blattbewegung im Schwebeflug Blattbewegung im Vorwärtsflug Lösungen zu den Übungen von Kap Lösungen zu den Übungen von Kap Sachverzeichnis 429

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