Helikopter Aufbau

Hubschrauber-Struktur

Allgemeiner Aufbau eines Rotorkopfes (hier ein Rotorkopf mit Schaufeln). Ich freue mich schon auf den Bau! In Neuseeland stürzte ein Hubschrauber beim Bau eines Weihnachtsbaums ab. Für Flugbegeisterte wie Sie ist dieser Hubschrauber die richtige Wahl. Die gemeinsame Hilfe, sei es beim Aufstellen und Einstellen der Hubschrauber oder beim Instruktor-Schüler-Fliegen, hat für uns oberste Priorität.

Helikopterflug - Hubschrauberbau

Als erster führte Juan de la Cierva mit seinen Autogiro die Schlag- und Drehgelenke ein. Moderne Rotoranlagen lassen sich heute in folgende Teilbereiche unterteilen: 1: Das gelenkige Läufersystem verfügt über ein mechanisches Schlag- und Drehgelenk sowie ein Einstelllager für den Anstellwinkel des Läufers (Bild 1). Im Gelenkrotorsystem werden die Stoß- und Drehgelenke durch entsprechende elastische Werkstoffe am Blattfuß ausgetauscht, die die Stoß- und Drehbewegung ermöglichen (Abb. 2).

Das lagerfreie Laufrad hat keine mechanische Stoß- und Drehgelenke und das Gleitlager zur Einstellung des Stellwinkels wird ebenfalls durch ein elastomeres Gleitlager ausgetauscht. Durch den Verzicht auf herkömmliche mechanische Kugellager kann die Wartung deutlich verringert werden. Sehr hohe Belastungen des Rotorblatts, weshalb der kugelgelagerte Läufer ohne Elastomerlagerung nur für kleine Helikopter einsetzbar ist.

Realisiert wurde dieses Verfahren von der Firma Aérospace mit dem Spheriflex-Rotor. Das halbsteife Rotorsystem kann auch in die Kategorie der Gelenkrotorsysteme unterteilt werden (Bild 3). Drehgelenke sind bei diesem Verfahren nicht erforderlich.

Videopräsentation - Fliege deinen eigenen Helikopter

Wie ein Helikopter gebaut wird und wie er geflogen wird, erfahren Sie auf dieser Seite. Außerdem empfiehlt sich dieses Film über die Vorstellung des Helikopterfliegens. Auch der berühmte Flugschullehrer Helmut Mauch geht seinen eigenen Weg, um das Helikopterfliegen zu erlernen. Mehr als 250 Skizzen und die dazugehörigen Textpassagen machen es möglich, die aerodynamischen Gegebenheiten, die fliegerischen Anforderungen und das Handling von Hubschraubern ganz ohne Formel zu erörtern.

Bei diesem Heft bekommen Sie einen Geschenkgutschein im Wert von EUR 10,- für die Teilnahme an einem Probeflug mit dem Helikopter. Haben Sie schon mal selbst einen Helikopter gesteuert? Bei den ersten Hubschraubern waren die Laufschaufeln fest mit der Welle des Rotors gekoppelt. Das hat zu einer unkontrollierten Abrollbewegung im Flug nach vorne gebracht, da das führende Blatt aufgrund der höheren Eintrittsgeschwindigkeit mehr Hub bietet als das zurückkehrende.

Die BO-105 war der erste Helikopter mit einem solchen Läufer. Das lagerfreie Laufrad hat keine mechanische Stoß- und Drehgelenke und das Gleitlager zur Einstellung des Stellwinkels wird ebenfalls durch ein elastomeres Gleitlager ausgetauscht. Sehr hohe Belastungen des Rotorblatts, weshalb der kugelgelagerte Läufer ohne Elastomerlagerung nur für kleine Helikopter einsetzbar ist.

Realisiert wurde dieses Verfahren von der Firma Aérospace mit dem Spheriflex-Rotor. Um in die Strömungslehre von Hubschraubern einzusteigen, sollten wir einige Grundprinzipien der Strömungslehre erlernen. Um " schwerere " Luftfahrzeuge vom Erdboden starten zu lassen, muss eine zumindest so große Auftriebskraft wie das Flugzeuggewicht einwirken.

Durch die Krümmung um das Strahlprofil muss die Strömung einen "weiteren Weg" gehen, der die Fließgeschwindigkeit anhebt. Eine Tragfläche muss im Volumenstrom leicht verstellt werden, was zu einem überdruck an der Unterseite der Tragfläche und damit zu einer Erhöhung des Gesamtauftriebs führen kann (Bild 3).

Durch diesen Angriffswinkel steigt der Unterdruck auf der oberen Seite an, da die Druckluft eine noch größere Strecke zurücklegen muss und dadurch verstärkt wird. Mit der Verstellung des Flügel wird aber auch der Strömungswiderstand vergrößert, der durch eine höhere Antriebsleistung ausgeglichen werden muss. Im Grunde kann man sagen, je rascher sich das Fluggerät nach vorne schiebt, desto größer ist der Flughöhe.

Zugleich wird aber auch der Luftwiderstand gesteigert. Allerdings kann der Angriffswinkel und die Drehzahl nicht nach Belieben gesteigert werden, da der Luftstrom auf der oberen Seite abbrechen kann. Wenn der Angriffswinkel weiter vergrößert wird, entstehen immer mehr Verwirbelungen zur Vorderkante hin, bis der Lift nicht mehr ausreichend ist, um das Luftfahrzeug in der Höhe zu behalten.

Der Helikopter unterscheidet sich grundlegend von den Starrflüglern. Obwohl die aerodynamischen Kräften auch auf Helikopter einwirken, sind sie viel schwerer zu errechnen und zu erläutern als auf Flugzeuge. Das liegt vor allem daran, dass durch den rotierenden Läufer Zusatzkräfte auftreten, die in einem Fluggerät nicht auftauchen. Beim Helikopter ist die Situation anders.

Durch die rotierenden Rotorflügel wird, wie bei einem Tragflügel, eine Auftriebskraft erzeugt und die Druckluft von oben nach unten durchströmt. Dabei wird der Einfallswinkel (Winkel zwischen Rotorblattgurt und Heli-Längsachse) aller Rotorenblätter und damit auch der Einfallswinkel mitvergrößert. Dabei wird die Atemluft wie bei einem Gebläse nach oben "geblasen", der Gesamthub vergrößert und der Hubschrauber steigt an.

Um dieses Fahrzeug vorwärts zu bewegen, muss "nur" die Läuferebene nach vorn gerichtet sein, so dass der Luftdurchsatz durch den Läufer leicht nach rückwärts "geblasen" wird (Abb. 6). Dabei wird die Rotorenebene in die Flugrichtung des Hubschraubers gekippt. Damit dies nicht passiert, haben die meisten Helikopter einen vertikal rotierenden Läufer, den Heckläufer, der dieses Moment auffangen kann.

Der Helikopter kann mit diesem Heckkreisel im schwebenden Flug um die vertikale Achse angesteuert werden. Im Vergleich zu Starrflüglern können die Helikopter sowohl nach vorne, zur Seite und nach hinten als auch in der Höhe mitfliegen. Das ist möglich, weil die Hauptrotorflügel durch die Drehung immer durch die Raumluft strömen und so für den nötigen Hub sorgen.

Aus Vereinfachungsgründen werden wir den Läufer als Platte ansehen und nicht die Bedingungen auf dem jeweiligen Läuferblatt selbst. Um einen Hubschrauber in der Höhe zu behalten, muss der Hubschrauber exakt dem gleichen Eigengewicht entsprechen (Abb. 8). Bei gleichzeitiger Vergrößerung des Anstellwinkels aller Rotorblätter mit der Sammelschaufelverstellung steigt der Luftstrom durch die Rotorenscheibe von oben nach unten, der Hubschrauber steigt an und der Hubschrauber steigt an (Abb. 9).

Wird der Angriffswinkel verringert, nimmt der Gesamthub ab und der Helikopter sinkt in die gleiche Flugrichtung (Abb. 10). Der Hauptrotor hat umso mehr Kraft, je höher das Moment ist, und der Hectrotor muss mehr tun, um das Moment zu kompensieren. Weil der Heckkreisel einen gewissen Horizontalschub erzeugt, neigt der Helikopter dazu, sich in die jeweilige Flugrichtung zu bewegen.

Die Luftströmung, auch Abwind bezeichnet, ist leicht gegen die Verdrängungsrichtung gerichtet, so dass der Helikopter im Stillstand im Schwebeflug ist. Deshalb ist es möglich, dass der Helikopter nicht waagerecht, sondern mit einer geringen Querposition schwebt. Die Schwebefahrt erfordert in der Regel mehr Kraft als der Vorflug. Denn je dicker die Druckluft, umso weniger muss der Motor arbeiten und umso mehr kann der Helikopter mitnehmen.

Mit steigender Höhe nimmt die Dichte der Luft ab, das Hubschraubergewicht muss verringert werden, um ihn in der Schwebe zu haben. Prinzipiell gilt: Je größer die Außentemperatur und je größer die Höhe, umso geringer die Leistung des Helikopters. Wenn die Luftströmung unbehindert abfließen kann, spricht man von Schweben aus dem Boden (OGE) (Abb. 13).

Wenn der Helikopter in Bodennähe schwimmt, spricht man von schweben im Erdboden. Der Helikopter braucht daher weniger Energie für den ortsfesten Flug. Der Einfluß des Bodeneffektes ist umso kleiner, je weiter der Helikopter über dem Erdboden liegt. Die Bodenneigung ist umso größer, je besser der Abwind abfließen kann und je niedriger der Bodeneinfluss ist.

Größter Pluspunkt der Helikopter ist, dass sie sowohl schwimmen als auch nach vorne schwimmen können. Die Überleitung vom Schwebeflug zum Vorflug wird als Überleitung beschrieben und ist ein strömungstechnisch und maschinell äußerst umständlich. Aus Vereinfachungsgründen werden wir den Läufer als Scheiben und nicht die Aerodynamik der Einzelrotorblätter betrachte.

Im schwebenden Flug wird die Druckluft durch den Läufer von oben nach unten durchströmt. Um den Helikopter vorwärts zu fliegen, muss die ganze Scheibe des Rotors nach vorn gekippt werden. Beim Kippen nach vorn wird die Druckluft nicht mehr vertikal nach unten, sondern rückwärts gefördert (Abb. 16).

Der Helikopter bewegt sich vorwärts. Weil der Lift jedoch nicht mehr vertikal nach oben arbeitet, muss die Leistungsfähigkeit des Pilotens in der Abflugphase leicht gesteigert werden, um das korrekte Gewichtsverhältnis zu erzielen. Aufgrund der Drehung des Läufers treten beim Vorwärtsfliegen verschiedene Annäherungsgeschwindigkeiten an die Rotorblätter auf.

Unter der Annahme, dass der Hubschrauber mit einer Fluggeschwindigkeit von 200 km/h voran kommt und eine Schaufelspitzengeschwindigkeit von 750 km/h hat, treten am Kreisel folgende Bedingungen auf: Das führende Schaufelblatt erzielt an der Schaufelspitze eine Wirkgeschwindigkeit von 950 km/h (750 + 200). Das Limit im Vorflug mit den Helikoptern von heute liegt bei ca. 400 km/h.

Zur Sicherstellung der Strömung zum Laufrad muss der Läufer immer getrieben werden. Weil die Laufschaufeln im Vortrieb durch die gemeinsame Schaufelverstellung einen verhältnismäßig großen Anströmwinkel haben und somit auch einen dementsprechend hohen Strömungswiderstand erzeugen, sinkt die Geschwindigkeit des Läufers ohne Getriebe schnell ab. Natürlich geht auch der nötige Lift weg und der Helikopter kracht innerhalb kürzester Zeit ab.

In einem Starrflügler gleitet die Autodrehung in einem Helikopter. Wenn das Triebwerk eines Hubschraubers während des Fluges ausfällt, reduziert der Lotse umgehend die kollektive Blattverstellung und der Helikopter säuft ab. In Bild 20 ist zu erkennen, dass der Kreisel nicht mehr von oben nach unten, sonder von oben nach oben durchflossen wird.

Zur Erklärung der Prozesse in der Autodrehung dürfen wir den Läufer nicht wie bisher als Platte sehen, sondern müssen die Bedingungen am jeweiligen Läuferblatt prüfen. Dazu wird zunächst der Status im motorisierten Vorflug betrachtet (Abb. 21). Weil der Zufluss eines Hubschraubers aus einer waagerechten (Rotation des Rotors) und einer senkrechten Kompensation (Luftströmung von oben oder unten) zusammengesetzt ist, spricht man von einem relativem Zufluss des Rotorblattes.

Bei der Fahrzeugdekoration kann der Läufer in drei Teile geteilt werden. Zur Vereinfachung betrachten wir zunächst das vertikale Auto, d.h. der Helikopter steht in einem vertikalen Abstieg (Abb. 22). Daraus resultiert eine Antriebskraft, die den Läufer anregt. Beim Bremsen liegt die Gesamtkraft hinter der Drehachse, d.h. der Läufer wird gebremst.

Die Helikopter sind so konzipiert, dass ein ausgewogenes Verhältnis zwischen dem Antriebs- und dem Bremsteil besteht. Manche Helikopter sind bei der automatischen Rotation in der Höchstgeschwindigkeit begrenzt. Wenn die Fahrgeschwindigkeit in dieser Lage wieder gesteigert wird, bewegt sich der Fahrbereich weiter nach links, was letztlich dazu führen kann, dass das Bremsteil größer wird als das Antriebsteil und die Rotorgeschwindigkeit nicht mehr gleich sein kann.

Diese Verzögerung erlaubt es dem Läufer, noch mehr Kraft aufzunehmen (Erhöhung der Geschwindigkeit) und der Helikopter kann eine nahezu vollständige Normallandung ausführen. In der Schwebeflugphase wird die Druckluft wie bereits erwähnt von oben nach unten über den Läufer gefördert. In einem Helikopter tritt der Wirbel- oder Wirbelringbedingung auf, wenn er sich im Schwebe- oder Langsamflug mit hoher Sinkrate aufhält.

Außerdem muss der Läufer vom Getriebe getrieben werden. Dabei wird die im Innenbereich der Läuferebene befindliche Druckluft von oben nach unten schneller und sofort durch den Luftstrom von oben wieder nach oben transportiert (Abb. 29). Dabei wird die angesaugte Druckluft wieder von oben angesaugt und bildet ein abgeschlossenes Wirbelsystem.

Der Helikopter sinkt in diesem Fall noch mehr, auch wenn die Performance gesteigert wird. Der Helikopter ist noch beherrschbar, aber es gibt einige kräftige Vibrierungen. Mit der ersten Variante geht man in den Vorflug, da der Abwind im Vorflug nach rückwärts umgeleitet wird, kann der Läufer also von oben mit "neuer Luft" gespeist werden.

Die zweite Option besteht darin, auf die Autodekoration umzuschalten, was bedeutet, dass der Luftstrom von oben nach unten nicht vorhanden ist und der Läufer nur von oben nach oben durchfließt. Der Helikopter wird von drei verschiedenen Steuerungen angesteuert. Mit dem auch Cyclic genannten Control Stick wird der Helikopter im schwebenden Flug nach vorn, oben oder oben bewegt.

Bei Vorwärtsflügen leitet der Zyklische die Drehungen oder den Auf- und Abstieg ein. Der Helikopter kann mit den Fußpedalen vorort um die Vertikalachse gewendet werden, und mit dem Kollektiv kontrolliert der Piloten den Auf- und Abstieg im schwebenden Flug und zusammen mit dem Zyklischen die Vorfluggeschwindigkeit.

Mit jedem Helikopter wird der Control Stick mit der rechten und das Kollektiv mit der rechten Seite betätigt. Als Einfallswinkel wird der Einfallswinkel zwischen einer bestimmten Geraden am Helikopter und der Position des Rotorblattprofiles bezeichnet. Dagegen ist der Angriffswinkel der Drehwinkel zwischen dem Profil des Rotorblattes und der einströmenden Druckluft. Bekanntlich muss der Fahrer das Kollektiv abziehen, wenn er im schwebenden Flug ein wenig fliegen will.

Der Helikopter dreht sich dabei um die vertikale Achse, was nur durch eine entsprechende Anpassung des Heckrotors unterbleiben kann. Der Helikopter schwebt nun in einem festen Flug. Aufgrund der äußeren Einflüsse (insbesondere Wind) und der nicht ständigen Turbulenzen um den Helikopter muss der Piloten bei allen Kontrollen immer richtig reagieren, um einen sicheren Flug zu gewährleisten.

Nur wenn ein Flugschüler nicht mehr lernen muss, welche Kontrollen er korrigiert, kann er den Hubschrauber in einem mehr oder weniger stabilem schwebenden Flug festhalten. Beim Aufziehen des Piloten am Kollektiv fährt die gesamte Schrägscheibe nach oben und der Einfallswinkel aller Laufschaufeln wird simultan vergrößert (Sammelschaufelteilung).

Je größer der Helikopter, umso größer sind die Lenkkräfte am Heckkreisel und umso mehr hydraulische Hilfsmittel müssen zur Unterstützung der Regelung eingesetzt werden (Bild 8). Die Notare (NO TAil Rotor) ist ein Helikopter mit einem Hauptläufer aber ohne Heckkreisel. Zudem wird der Geräuschpegel des Hubschraubers deutlich reduziert.

In einem herkömmlichen Helikopter wird der größte Teil des Geräusches durch den Heckkreisel erzeugt. Nun fließt die Druckluft durch den Leitwerksausleger und tritt am Ende durch die schwenkbaren Stutzen aus. Die von den Pedalen gesteuerten Sprühdüsen ermöglichen es dem Helikopter, das Drehmoment auszugleichen und sich um die vertikale Achse zu drehen (Abb. 9).

Die einseitig austretende Druckluft lenkt nur ab und treibt den Abwind zur Wand. Haupteinsatzgebiet dieses Systems ist die Kontrolle im Schwebe- und Langsamflug. Der Hubschrauber wird im Schnellflug durch vertikal angelegte Ruder in der Vertikalachse angesteuert. Auch in der Automatik ist die Regelung um die vertikale Achse funktionstüchtig, da der Ventilator, der den erforderlichen Luftstrom im hinteren Ausleger generiert, über eine mechanische Verbindung mit dem Getriebe verfügt.

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