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Aerodynamik der Hubschrauber (PDF) - grider.de

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1. Grundlagen<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong>Bevor wir in die <strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter einsteigen können, sollten wir einige grundlegen<strong>de</strong>aerodynamischen Prinzipien kennen.Damit die Flugzeuge, die "schwerer als Luft" sind vom Bo<strong>de</strong>n abheben können, muss eine Kraftnach oben wirken, die min<strong>de</strong>stens so gross ist, wie das Gewicht <strong>de</strong>s Flugzeuges. Diese Kraftnennt man Auftrieb und wird durch die Tragflächen erzeugt.Die Tragflächen o<strong><strong>de</strong>r</strong> Flügel haben im Querschnitt eine bestimmte Form, das Profil. Es gibt eineVielzahl verschie<strong>de</strong>ner Profilarten, je nach<strong>de</strong>m welche Flugeigenschaften ein Flugzeugerreichen soll.Bewegt sich nun eine Tragfläche vorwärts, teilt das Profil <strong>de</strong>n Luftstrom in einen unteren un<strong>de</strong>inen oberen Teil (Abb 1).Abb 1Da die Luft durch die Wölbung um das Profil verdrängt wird, muss sie einen "weiteren Weg"zurücklegen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Nach <strong>de</strong>m Gesetz <strong><strong>de</strong>r</strong>Strömungslehre (Bernoulli-Gleichung) führt die Geschwindigkeitszunahme zu einer Reduktion<strong>de</strong>s Drucks. Es entsteht auf <strong><strong>de</strong>r</strong> Oberfläche <strong>de</strong>s Flügels ein "Sog" (Abb 2). Da die obere unduntere Seite <strong>de</strong>s Profils eine unterschiedliche Wölbung aufweisen, wird auch einunterschiedlicher "Sog" erzeugt.Abb 2Bei einem vollsymetrischen Profil (hier ist ein halbsymmetrisches dargestellt) ist <strong><strong>de</strong>r</strong> Unterdruckauf <strong><strong>de</strong>r</strong> Flügeloberseite genau gleich gross wie auf <strong><strong>de</strong>r</strong> Unterseite.Diese rein aerodynamischen Kräfte reichen noch nicht aus, um ein Flugzeug zum Fliegen zu<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 1 von 15


ingen. Ein Flügel muss im Luftstrom leicht angestellt wer<strong>de</strong>n, wodurch die Luft nach untenabgelenkt wird, was zu einem Überdruck auf <strong><strong>de</strong>r</strong> Flügelunterseite führt, welcher <strong>de</strong>nGesamtauftrieb erhöht (Abb 3).Abb 3Dieser Anstellwinkel bewirkt zusätzlich eine Erhöhung <strong>de</strong>s Unterdrucks auf <strong><strong>de</strong>r</strong> Oberseite, dadie Luft einen noch weiteren Weg zurücklegen muss und dadurch stärker beschleunigt wird.Durch die Anstellung <strong>de</strong>s Flügels wird aber auch <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>stand erhöht, was mit einergrösseren Leistung für <strong>de</strong>n Vortrieb kompensiert wer<strong>de</strong>n muss.Grundsätzlich kann gesagt wer<strong>de</strong>n, dass <strong><strong>de</strong>r</strong> Auftrieb grösser wird je schneller sich dasFlugzeug vorwärts bewegt. Gleichzeitig wird aber auch <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftwie<strong><strong>de</strong>r</strong>stand erhöht. Aus diesemGrund besitzen Flugzeuge welche nur langsam fliegen dicke Profile, bei sehr schnellenFlugzeugen reichen schlanke Profile für die Erzeugung <strong>de</strong>s Auftriebs aus.Der Anstellwinkel und die Geschwindigkeit können aber nicht beliebig erhöht wer<strong>de</strong>n da dieLuftströmung auf <strong><strong>de</strong>r</strong> Oberseite abreissen kann. Das heisst die Strömung fliesst nicht mehrentlang <strong>de</strong>m Profil, son<strong><strong>de</strong>r</strong>n bil<strong>de</strong>t Wirbel (Abb 4).Abb 4Zuerst entstehen die Wirbel an <strong><strong>de</strong>r</strong> Austrittskante. Wird <strong><strong>de</strong>r</strong> Anstellwinkel weiter erhöht, bil<strong>de</strong>nsich immer mehr Wirbel Richtung Eintrittskante, bis <strong><strong>de</strong>r</strong> Auftrieb nicht mehr ausreicht um dasFlugzeug in <strong><strong>de</strong>r</strong> Luft zu halten. Dieser Flugzustand wird als Stall (engl.) bezeichnet und tritt vorallem dann auf, wenn das Flugzeug zu langsam fliegt.Sobald die Strömung wie<strong><strong>de</strong>r</strong> sauber am Profil entlang fliesst, ist auch <strong><strong>de</strong>r</strong> notwendige Auftriebwie<strong><strong>de</strong>r</strong> vorhan<strong>de</strong>n und das Flugzeug fliegt wie<strong><strong>de</strong>r</strong>.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 2 von 15


2. Unterschie<strong>de</strong> Flugzeug - HelikopterDie Helikopter unterschei<strong>de</strong>n sich ganz grundsätzlich von <strong>de</strong>n Flächenflugzeugen. Zwar wirkenauch beim Helikopter aerodynamische Kräfte, die sind aber viel schwieriger zu berechnen undzu erklären als bei einem Flugzeug. Dies vor allem weil beim sich drehen<strong>de</strong>n Rotor zusätzlicheKräfte entstehen, welche bei einem Flächenflugzeug nicht vorhan<strong>de</strong>n sind.Bei einem Flugzeug mit Flügeln sind die Verhältnisse einigermassen klar. Der Vortrieb wir<strong>de</strong>ntwe<strong><strong>de</strong>r</strong> durch einen Propeller o<strong><strong>de</strong>r</strong> ein Düsentriebwerk geliefert (ausser bei einemSegelflugzeug). Der Auftrieb wird durch die Flügel erzeugt und das Ganze wird mit Klappen,Ru<strong><strong>de</strong>r</strong> und Leitwerken gesteuert (Abb 5).VortriebAuftriebGewichtAbb 5Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standAn<strong><strong>de</strong>r</strong>s sieht es beim <strong>Hubschrauber</strong> aus. Die sich drehen<strong>de</strong>n Rotorblätter beschleunigen dieLuft von oben nach unten. Dies geschieht in<strong>de</strong>m bei allen Rotorblättern <strong><strong>de</strong>r</strong> Anstellwinkelgleichzeitig erhöht wird, auch kolleketive Blattverstellung genannt. Dadurch wird die Luft,ähnlich wie bei einem Ventilator, nach unten "geblasen", <strong><strong>de</strong>r</strong> Auftrieb wird erhöht und <strong><strong>de</strong>r</strong>Helikopter beginnt zu steigen. Damit sich dieses Gefährt nach vorne bewegt, muss "nur" dieRotorebene nach vorne geneigt wer<strong>de</strong>n, so dass <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftstrom durch <strong>de</strong>n Rotor leicht nachhinten "geblasen" wird (Abb 6).AuftriebVortriebLuftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standGewichtAbb 6Die Steuerung <strong>de</strong>s Helikopters erfolgt nach <strong>de</strong>m gleichen Prinzip. Die Rotorebene wird in dieRichtung geneigt wohin <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> fliegen soll. Dies tönt sehr einfach, ist in Wirklichkeitaber ein sehr komplexer aerodynamischer Vorgang (davon sprechen wir später).Gemeinerweise besagt ein physikalisches Gesetz (von Newton), dass eine Aktion eine<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 3 von 15


Reaktion hervorruft. Dies bewirkt, dass sich <strong><strong>de</strong>r</strong> Rumpf <strong>de</strong>s Helikopter entgegen <strong><strong>de</strong>r</strong>Drehrichtung <strong>de</strong>s Rotors drehen möchte. Um dies zu verhin<strong><strong>de</strong>r</strong>n wird bei <strong>de</strong>n meisten<strong>Hubschrauber</strong>n ein senkrecht drehen<strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor, <strong><strong>de</strong>r</strong> Heckrotor angebracht, welcher diesesDrehmoment ausgleicht (Abb 7). Mit diesem Heckrotor kann <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter im Schwebeflug umdie Hochachse gesteuert wer<strong>de</strong>n.RotorRumpfAbb 7HeckrotorBei Konstruktionen mit zwei gegenläufig drehen Hauptrotoren, entsteht kein Drehmoment auf<strong>de</strong>n Rumpf, resp die Drehmomente <strong><strong>de</strong>r</strong> bei<strong>de</strong>n Rotoren heben sich gegenseitig auf.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 4 von 15


3. Der Helikopter im SchwebeflugGegenüber <strong>de</strong>n Flächenflugzeugen können die <strong>Hubschrauber</strong> in <strong><strong>de</strong>r</strong> Luft stehen bleiben. Diesist möglich, da die Hauptrotorblätter, wegen <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotation immer durch die Luft angeströmtwer<strong>de</strong>n und dadurch <strong>de</strong>n notwendigen Auftrieb liefern. Ein Flächenflugzeug erzeugt <strong>de</strong>nAuftrieb erst, wenn eine genügend hohe Vorwärtsgeschwindigkeit erreicht ist.Im Schwebeflug wer<strong>de</strong>n wir, <strong><strong>de</strong>r</strong> Einfachheit halber, <strong>de</strong>n Rotor als eine Scheibe betrachten undnicht die Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt untersuchen. Dies ist möglich, da dieaerodynamischen Kräfte einigermassen symmetrisch, über die gesamte Rotorscheibe verteiltsind.Damit sich ein Helikopter in <strong><strong>de</strong>r</strong> Luft halten kann, muss <strong><strong>de</strong>r</strong> Auftrieb genau gleich gross, wie seinGewicht sein (Abb 8).AuftriebGewichtAbb 8Wird nun bei allen Rotorblättern mit <strong><strong>de</strong>r</strong> kollektiven Blattverstellung gleichzeitig <strong><strong>de</strong>r</strong> Anstellwinkelerhöht, wird <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftdurchsatz von oben nach unten durch die Rotorscheibe grösser, <strong><strong>de</strong>r</strong>Auftrieb nimmt zu und <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter beginnt an Ort zu steigen (Abb 9).Reduziert man <strong>de</strong>n Anstellwinkel wird <strong><strong>de</strong>r</strong> Gesamtauftrieb kleiner, und <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong>beginnt sinngemäss zu sinken (Abb 10).AuftriebHelisinktAuftriebHelisteigtGewichtGewichtAbb 9 Abb 10<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 5 von 15


Wegen <strong><strong>de</strong>r</strong> Drehung <strong>de</strong>s Hauptrotors entsteht ein Moment, welches bewirkt, dass sich <strong><strong>de</strong>r</strong>Rumpf entgegen <strong><strong>de</strong>r</strong> Drehrichtung <strong>de</strong>s Hauptrotor dreht. Diese ungewollte Drehung wird durch<strong>de</strong>n senkrecht stehen<strong>de</strong>n Heckrotor korrigiert (Abb 11). Je grösser die Leistung <strong>de</strong>s Hauptrotorsist, <strong>de</strong>sto grösser ist auch das Drehmoment, und entsprechend mehr muss <strong><strong>de</strong>r</strong> Heckrotorleisten, um das Drehmoment zu korrigieren.Da <strong><strong>de</strong>r</strong> Heckrotor einen bestimmten horizontalen Schub produziert, hat <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter dieTen<strong>de</strong>nz sich in die entsprechen<strong>de</strong> Richtung zu verschieben. Die Richtung ist abhängig von <strong><strong>de</strong>r</strong>Drehrichtung <strong>de</strong>s Hauptrotors.RotorRumpfAbb 11Dieses seitliche Versetzen muss wie<strong><strong>de</strong>r</strong>um mit <strong>de</strong>m Hauptrotor korrigiert wer<strong>de</strong>n. Der Luftstrom,auch Downwash genannt, wird leicht entgegen <strong><strong>de</strong>r</strong> Verschieberichtung geleitet, wodurch <strong><strong>de</strong>r</strong><strong>Hubschrauber</strong> im stationären Schwebeflug bleibt.HeckrotorHauptrotorHeckrotorDie Kräfte <strong>de</strong>s Haupt- und Heckrotors wirkenbei vielen <strong>Hubschrauber</strong>n nicht in <strong><strong>de</strong>r</strong>gleichen horizontalen Ebene. Aus diesemGrund kann es sein, dass <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter imSchwebeflug nicht horizontal, son<strong><strong>de</strong>r</strong>n miteiner leichten Querlage da steht. Ob dieQuerlage links o<strong><strong>de</strong>r</strong> rechts ist, hängt primärwie<strong><strong>de</strong>r</strong> von <strong><strong>de</strong>r</strong> Drehrichtung <strong>de</strong>s Hauptrotorsab (Abb 12).Abb 12Der Schwebeflug benötigt in <strong><strong>de</strong>r</strong> Regel mehr Leistung als <strong><strong>de</strong>r</strong> Vorwärtsflug. Eine wesentlicheRolle für die Leistungsfähigkeit spielt vor allem die Luftdichte. Je dichter die Luft, <strong>de</strong>sto wenigermuss <strong><strong>de</strong>r</strong> Antrieb leisten und <strong>de</strong>sto mehr Gewicht kann <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> tragen. Da mitzunehmen<strong><strong>de</strong>r</strong> Flughöhe die Luftdichte abnimmt, muss das Gewicht <strong>de</strong>s Helikopters reduziertwer<strong>de</strong>n, um ihn im Schwebeflug halten zu können. Grundsätzlich kann gesagt wer<strong>de</strong>n, jegrösser die Aussentemperatur und je höher die Flughöhe ist, <strong>de</strong>sto kleiner ist dieLeistungsfähigkeit <strong>de</strong>s <strong>Hubschrauber</strong>.Einen weiteren Einfluss auf die Leistung hat <strong><strong>de</strong>r</strong> Downwash. Kann <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftstrom ungehin<strong><strong>de</strong>r</strong>t<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 6 von 15


abfliessen, nennt man diesen Zustand Schwebeflug ausserhalb Bo<strong>de</strong>neffekt (hover out ofground effect, OGE) (Abb 13).Abb 13Schwebt <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter in <strong><strong>de</strong>r</strong> Nähe <strong>de</strong>s Bo<strong>de</strong>ns, nennt man dies Schwebeflug im Bo<strong>de</strong>neffekt(hover in ground effect, IGE). Durch <strong>de</strong>n Downwash, welcher zur Seite abgeleitet wer<strong>de</strong>n muss,entsteht eine Art Luftkissen (Abb 14). Dadurch benötigt <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> weniger Leistung für<strong>de</strong>n stationären Schwebeflug.Abb 14Je höher <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter über <strong>de</strong>m Bo<strong>de</strong>n schwebt, <strong>de</strong>sto kleiner ist <strong><strong>de</strong>r</strong> Einfluss <strong>de</strong>sBo<strong>de</strong>neffekts. Bei einer Schwebehöhe von ca 1.5x <strong>de</strong>m Rotordurchmesser ist kein Bo<strong>de</strong>neffektmehr vorhan<strong>de</strong>n.Einen grossen Einfluss auf <strong>de</strong>n Bo<strong>de</strong>neffekt hat auch die Bo<strong>de</strong>nbeschaffenheit und vor allemdie Neigung <strong>de</strong>s Gelän<strong>de</strong>s. Je stärker <strong><strong>de</strong>r</strong> Bo<strong>de</strong>n geneigt ist, <strong>de</strong>sto besser kann <strong><strong>de</strong>r</strong> Downwashabfliessen und <strong>de</strong>sto geringer ist <strong><strong>de</strong>r</strong> Bo<strong>de</strong>neffekt.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 7 von 15


4. Der Helikopter im VorwärtsflugDer wohl grösste Vorteil <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> liegt darin, dass sie sowohl schweben, als auchvorwärts fliegen können. Der Übergang vom Schwebe- in <strong>de</strong>n Vorwärtsflug wird als sogenannteTransition bezeichnet und ist ein aerodynamisch wie auch mechanisch äusserst komplizierterVorgang. Der Einfachheit halber wer<strong>de</strong>n wir <strong>de</strong>n Rotor als eine Scheibe und nicht dieaerodynamischen Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt betrachten.Wie bereits erwähnt, wird die Luft im Schwebeflug von oben nach unten durch <strong>de</strong>n Rotorbeschleunigt (Abb 15). Damit <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> in <strong>de</strong>n Vorwärtsflug übergeht, muss diegesamte Rotorscheibe nach vorne geneigt wer<strong>de</strong>n.Abb 15Durch die Neigung nach vorne wird die Luft nicht mehr senkrecht nach unten, son<strong><strong>de</strong>r</strong>n nachhinten beschleunigt (Abb 16). Dadurch beginnt sich <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> nach vorne zu bewegen.Da aber auch <strong><strong>de</strong>r</strong> Auftrieb nicht mehr senkrecht nach oben wirkt, muss die Leistung durch <strong>de</strong>nPiloten in <strong><strong>de</strong>r</strong> Startphase leicht erhöht wer<strong>de</strong>n, um das richtige Verhältnis zwischen Auftrieb undGewicht zu erreichen.Abb 16Durch die Rotation <strong>de</strong>s Rotors entstehen im Vorwärtsflug unterschiedlicheAnströmgeschwindigkeiten an <strong>de</strong>n Rotorblättern. Das Rotorblatt, welches sich in Flugrichtunggesehen nach vorne bewegt wird als vorlaufen<strong>de</strong>s Blatt, dasjenige welches sich nach hintenbewegt als rücklaufen<strong>de</strong>s Blatt bezeichnet (Abb 17).<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 8 von 15


vorlaufendrücklaufendAbb 17Die Anströmgeschwindigkeit ist abhängig von <strong><strong>de</strong>r</strong> Vorwärtsgeschwindigkeit, <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotordrehzahlund <strong>de</strong>m Rotordurchmesser. Gehen wir davon aus, dass sich <strong><strong>de</strong>r</strong> Helikopter mit einerGeschwindigkeit von 200 km/h vorwärts bewegt und eine Blattspitzengeschwindigkeit von 750km/h aufweist, entstehen folgen<strong>de</strong> Verhältnisse am Rotor:950 km/hDas vorlaufen<strong>de</strong> Blatt erreicht eine effektiveGeschwindigkeit an <strong><strong>de</strong>r</strong> Blattspitze von 950km/h (750 + 200). Diese Geschwindigkeitbefin<strong>de</strong>t sich bereits sehr nahe an <strong><strong>de</strong>r</strong>Schallgeschwindigkeit. An <strong><strong>de</strong>r</strong> Blattwurzel wirdimmer noch eine Anströmung mit über 200km/h erreicht (Abb 18).200 km/h750 km/hAbb 18<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 9 von 15


750 km/h200 km/hDas rücklaufen<strong>de</strong> Blatt wird nur noch mit einerGeschwindigkeit von 550 km/h an <strong><strong>de</strong>r</strong>Blattspitze angeströmt (750 - 200). DieAnströmgeschwindigkeit nimmt ab, je näherman sich <strong>de</strong>m Rotationszentrum befin<strong>de</strong>t. In<strong><strong>de</strong>r</strong> Gegend <strong><strong>de</strong>r</strong> Blattwurzel kann das Blattsogar von hinten angeströmt wer<strong>de</strong>n und liefert<strong>de</strong>mzufolge in diesem Bereich keinen Auftriebmehr (Abb 19).550 km/hAbb 19Der Auftrieb ist bekannterweise von <strong><strong>de</strong>r</strong> Anströmgeschwindigkeit und <strong>de</strong>m Anstellwinkel (nebst<strong><strong>de</strong>r</strong> Art <strong>de</strong>s Profils) abhängig. Um einigermassen konstante Auftriebsverhältnisse über diegesamte Rotorscheibe zu erreichen, muss <strong><strong>de</strong>r</strong> Anstellwinkel während <strong>de</strong>m Umlauf <strong>de</strong>s Blatteskonstant verän<strong><strong>de</strong>r</strong>t wer<strong>de</strong>n, da sich die Anströmgeschwindigkeit ja auch konstant än<strong><strong>de</strong>r</strong>t. DieseVerstellung <strong>de</strong>s Anstellwinkels wird als zyklische Blattverstellung bezeichnet.Die Grenzen im Vorwärtsflug liegen bei heutigen <strong>Hubschrauber</strong> bei ca 400 km/h. Über dieserGeschwindigkeit wür<strong>de</strong>n sich grosse Teile <strong>de</strong>s vorlaufen<strong>de</strong> Blattes im Überschallbereich un<strong>de</strong>in grosser Bereich <strong>de</strong>s rücklaufen<strong>de</strong>n Blattes im Strömungsabriss befin<strong>de</strong>n. Es gibt keinFlügelprofil, welches einen solch grossen Geschwindigkeitsbereich ab<strong>de</strong>cken könnte.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 10 von 15


5. Die AutorotationUm die Anströmung am Rotorblatt sicherzustellen, muss <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor immer angetrieben wer<strong>de</strong>n.Was geschieht aber wenn <strong><strong>de</strong>r</strong> Antrieb - aus welchen Grün<strong>de</strong>n auch immer - ausfällt?Da die Rotorblätter im Vorwärtsflug durch die kollektive Blattverstellung einen relativ grossenAnstellwinkel aufweisen und dadurch auch einen entsprechend grossen Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standproduzieren, fällt die Drehzahl <strong>de</strong>s Rotors ohne Antrieb rapid ab. Dadurch gehtselbstverständlich auch <strong><strong>de</strong>r</strong> notwendige Auftrieb verloren und <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> stürzt innerhalbkurzer Zeit ab.Das tönt zum Glück nur viel dramatischer als es in Wirklichkeit ist. Was bei einemFlächenflugzeug <strong><strong>de</strong>r</strong> Gleitflug ist, ist beim <strong>Hubschrauber</strong> die Autorotation. Fällt bei einem<strong>Hubschrauber</strong> während <strong>de</strong>m Flug <strong><strong>de</strong>r</strong> Antrieb aus, wird <strong><strong>de</strong>r</strong> Pilot sofort <strong>de</strong>n kollektivenBlatteinstellwinkel verringern und <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> beginnt zu sinken. Gleichzeitig wird,bedingt durch <strong>de</strong>n kleineren Anstellwinkel <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>stand an <strong>de</strong>n Rotorblättern wesentlichverringert.Abb 20Wie wir in Abb 20 sehen können, wird <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor nun nicht mehr von oben nach unten, son<strong><strong>de</strong>r</strong>nvon unten nach oben durchströmt. Durch die aerodynamischen Verhältnisse, welche wir nochetwas <strong>de</strong>taillierter betrachten wer<strong>de</strong>n, kann in diesem Zustand die Rotordrehzahl konstantgehalten wer<strong>de</strong>n. Um die Vorgänge in <strong><strong>de</strong>r</strong> Autorotation zu erklären, dürfen wir nicht wie bisher<strong>de</strong>n Rotor als Scheibe betrachten, son<strong><strong>de</strong>r</strong>n müssen die Verhältnisse am einzelnen Rotorblattuntersuchen. Und dazu schauen wir zuerst <strong>de</strong>n Zusand im angetriebenen Vorwärtsflug an (Abb21).AuftriebGesamtkräfte(aerodynamisch)ProfilsehneRelative AnströmungLuftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standRotationsebeneAbb 21RotationsachseBei einem Flugprofil wirkt <strong><strong>de</strong>r</strong> Auftrieb immer senkrecht zur Anströmung und <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standin <strong><strong>de</strong>r</strong> gleichen Ebene wie die Anströmung. Da bei einem <strong>Hubschrauber</strong> die Anströmung auseiner horizontalen (Drehung <strong>de</strong>s Rotors) und einer vertikalen Komponente (Luftdurchsatz vonoben o<strong><strong>de</strong>r</strong> unten) besteht, sprechen wir beim Rotorblatt von einer relativen Anströmung. Da sichdas Rotorblatt nach aussen hin mit einer grösseren Geschwindigkeit bewegt, die vertikaleKomponente aber mehr o<strong><strong>de</strong>r</strong> weniger konstant bliebt, än<strong><strong>de</strong>r</strong>t sich die relative Anströmungkonstant über die ganze Länge <strong>de</strong>s Rotorblattes. Aus diesem Grund gilt die Abb 21 nur für<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 11 von 15


einen kleinen Bereich am Rotorblatt. Auch <strong><strong>de</strong>r</strong> Anstellwinkel (Winkel zwischen <strong><strong>de</strong>r</strong> Profilsehneund <strong><strong>de</strong>r</strong> relativen Anströmung) än<strong><strong>de</strong>r</strong>t sich über die Länge <strong>de</strong>s Rotorblattes und zwar nimmt <strong><strong>de</strong>r</strong>Anstellwinkel nach aussen hin ab.In <strong><strong>de</strong>r</strong> Autoration kann <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor in drei Bereiche unterteilt wer<strong>de</strong>n. Der Einfachheit halberschauen wir zuerst die senkrechte Autoration an, das heisst <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> befin<strong>de</strong>t sich imsenkrechten Sinkflug (Abb 22).bremsendantreibendStallIn <strong><strong>de</strong>r</strong> senkrechten Autorotation sind die Bereichesymmetrisch über die Rotorscheibe verteilt. Dabeiist nur <strong><strong>de</strong>r</strong> antreiben<strong>de</strong> Bereich für die Drehung <strong>de</strong>sRotors verantwortlich. In <strong><strong>de</strong>r</strong> Nähe <strong>de</strong>s Zentrumsist die Anströmgeschwindigkeit so klein, dass sichdie Rotorblätter im Strömungsabriss befin<strong>de</strong>n.Abb 22Um zu erklären wie diese Bereiche zustan<strong>de</strong> kommen müssen wir die aerodynamischenVerhältnisse am einzelnen Rotorblatt etwas genauer untersuchen.antreibendIm antreiben<strong>de</strong>n Bereich liegen dieaerodynamischen Gesamtkräfte vor <strong><strong>de</strong>r</strong>Rotationsachse <strong>de</strong>s Rotors. Dadurch ergibt sich eineKraft welche <strong>de</strong>n Rotor antreibt.Anströmungvon untenAuftriebProfilsehneRelativeAnströmungAbb 23Gesamtkräfte(aerodynamisch)Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standRotationsachseRotationsebeneLiegen die aerodynamischen Kräfte genau auf<strong><strong>de</strong>r</strong> Rotationsachse bleibt dieDrehgeschwindigkeit konstant.Anströmungvon untenAuftriebProfilsehneRelative AnströmungGesamtkräfte(aerodynamisch)Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standRotationsachseRotationsebeneAbb 24<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 12 von 15


emsendIm bremsen<strong>de</strong>n Teil liegen die Gesamtkräftehinter <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotationsachse, was be<strong>de</strong>utet das<strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor abgebremst wird.Anströmungvon untenAuftriebProfilsehneGesamtkräfte(aerodynamisch)Luftwi<strong><strong>de</strong>r</strong>standRotationsebeneRelative AnströmungAbb 25RotationsachseAlle <strong>Hubschrauber</strong> sind so konstruiert, dass sich ein Gleichgewicht zwischen <strong>de</strong>m antreiben<strong>de</strong>nund <strong>de</strong>m bremsen<strong>de</strong>n Teil ergibt. Dieses Gleichgewicht muss vom senkrechten Sinkflug bis zueiner bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit sichergestellt sein. Einige <strong>Hubschrauber</strong> sindwährend <strong><strong>de</strong>r</strong> Autorotation in <strong><strong>de</strong>r</strong> maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit eingeschränkt. Daskommt daher, weil sich <strong><strong>de</strong>r</strong> antreiben<strong>de</strong> Teil mit zunehmen<strong><strong>de</strong>r</strong> Geschwindigkeit verschiebt (Abb26). Diese Verschiebung erfolgt immer in Richtung <strong>de</strong>s rücklaufen<strong>de</strong>n Blattes.Abb 26bremsendantreibendStallWird die Vorwärtsgeschwindigkeit in dieser Situation nochmals erhöht, verschiebt sich <strong><strong>de</strong>r</strong>antreiben<strong>de</strong> Bereich weiter nach rechts, was schlussendlich dazu führt, dass <strong><strong>de</strong>r</strong> bremsen<strong>de</strong>Teil grösser als <strong><strong>de</strong>r</strong> antreiben<strong>de</strong> wird und dadurch die Rotordrehzahl nicht mehr konstantgehalten wer<strong>de</strong>n kann.In <strong><strong>de</strong>r</strong> Regel wird eine Autorotation immer mit einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeitgeflogen. Um eine sichere Landung sicherzustellen muss diese Geschwindigkeit soweit möglichreduziert wer<strong>de</strong>n. Dies wird mit <strong>de</strong>m sogenannten Flare erreicht. Kurz über <strong>de</strong>m Bo<strong>de</strong>n nimmt<strong><strong>de</strong>r</strong> Pilot die Nase nach oben, wodurch das Sinken reduziert wird und die Geschwindigkeitabnimmt. Durch dieses Abbremsen kann vom Rotor noch mehr Energie aufgenommen wer<strong>de</strong>n(die Drehzahl wird erhöht) und <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> kann eine fast normale Landung durchführen.Dies tönt sehr einfach, ist aber für <strong>de</strong>n Piloten ein anspruchsvolles Manöver.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 13 von 15


6. Der VortexWährend <strong>de</strong>m stabilen Schwebeflug wird wie bereits beschrieben die Luft von oben nach untendurch <strong>de</strong>n Rotor beschleunigt. Der Luftdurchsatz ist über die Länge <strong>de</strong>s Rotorblattes nichtkonstant (Abb 27).Abb 27Der Vortex o<strong><strong>de</strong>r</strong> Wirbelringzustand entsteht bei einem <strong>Hubschrauber</strong> wenn sich dieser imSchwebeflug o<strong><strong>de</strong>r</strong> langsamen Vorwärtsflug, mit einer grossen Sinkgeschwindigkeit befin<strong>de</strong>t. DieSinkgeschwindigkeit muss sich in einem Bereich von mehr als 500 ft/min (2,5 m/sec) und dieVorwärtsgeschwindigkeit unterhalb <strong><strong>de</strong>r</strong> sogenannten Transitionszone befin<strong>de</strong>n. Zusätzlich muss<strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor durch <strong>de</strong>n Antrieb angetrieben wer<strong>de</strong>n. Diese Verhältnisse sind vor allem währen<strong>de</strong>inem steilen Lan<strong>de</strong>anflug mit Rückenwind gegeben.SinkrateDownwashDurch die Sinkgeschwindigkeit entsteht einLuftströmung welche <strong>de</strong>m Downwashentgegen wirkt (Abb 28).Abb 28Luftströmungvon untenDadurch wird im inneren Bereich <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotorebenedie Luft zwar von oben nach unten beschleunigt,aber durch die Luftströmung von unten gleichwie<strong><strong>de</strong>r</strong> zurück nach oben beför<strong><strong>de</strong>r</strong>t (Abb 29).Abb 29Die Luft wird erneut von oben angesogen und so entsteht ein in sich geschlossenes System,<strong><strong>de</strong>r</strong> Vortex o<strong><strong>de</strong>r</strong> Wirbelringzustand (Abb 30).In diesem Zustand beginnt <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> noch stärker zu sinken, auch wenn die Leistungerhöht wird. Zwar ist <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> nach wie vor steuerbar, aber es treten zum Teil starkeVibrationen auf.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 14 von 15


Abb 30Der Vortex kann grundsätzlich auf zwei Arten been<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n:Bei <strong><strong>de</strong>r</strong> ersten Möglichkeit geht man in <strong>de</strong>n Vorwärtsflug über, da <strong><strong>de</strong>r</strong> Downwash imVorwärtsflug nach hinten abgeleitet wird, kann dadurch <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor mit "neuer Luft" von obenversorgt wer<strong>de</strong>n. Diese Variante muss angewen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n, wenn <strong><strong>de</strong>r</strong> Vortex in Bo<strong>de</strong>nnähe,beispielsweise während einem Lan<strong>de</strong>anflug auftritt.Als zweite Möglichkeit kann man in die Autoration übergehen, wodurch <strong><strong>de</strong>r</strong> Luftdurchsatz vonoben nach unten fehlt und <strong><strong>de</strong>r</strong> Rotor nur noch von unten nach oben durchströmt wird (wie beieiner normalen Autoration).In je<strong>de</strong>m Fall muss <strong><strong>de</strong>r</strong> Pilot beim Auftreten <strong>de</strong>s Vortex sehr schnell reagieren, da durch dieenorme Sinkgeschwindigkeit die Flughöhe unter Umstän<strong>de</strong>n zu gering ist, um <strong>de</strong>n Vortex zubeen<strong>de</strong>n.<strong>Aerodynamik</strong> <strong><strong>de</strong>r</strong> <strong>Hubschrauber</strong> http://www.hubschrauber.li/ Seite 15 von 15

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