Eigenheiten des Hubschrauberfluges

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Eigenheiten des Hubschrauberfluges

Beitrag von JaBoG32_Toolface » 20. Mär 2018, 21:08

Warum fliegen Flugzeuge überhaupt?

Wenn sich ein Flugzeug durch die Luft bewegt, dann werden die Tragflächen von Luft umströmt. Diese sind so geformt, dass die Luft an der Oberseite beschleunigen muss, während unten eher ein Abbremsen erfolgt. Dadurch entsteht an der Oberseite eine Verringerung des Luftdruckes, und an der Unterseite eine Erhöhung. Dieser Druckunterschied über die gesamte Flügelfläche gerechnet erzeugt einen Kraftvektor welcher den Vektor der Gewichtskraft des Flugzeuges aufwiegt. Wenn sich ein Flugzeug durch die Luft bewegt, dann sind die beiden Probleme: „Was bringt mich in die Luft?“ und „Wie komme ich von A nach B?“ gelöst.
Karman_trefftz.gif
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Wie fliegt ein Hubschrauber?

Im Prinzip fliegt ein Hubschrauber genauso. Es ist nämlich nicht so, dass ein Hubschrauber mit einem großen Propeller Luft nach unten beschleunigt, und durch den Rückstoß fliegt. Das würde für eine Rakete gelten, oder auch für einen Senkrechtstarter wie den Harrier. Auch beim Hubschrauber werden die Tragflächen von Luft umströmt, und es bilden sich an Ober- und Unterseite ein Unter- und Überdruck welche den Hubschrauber tragen. Nur werden die Tragflächen nicht vom Fahrtwind umströmt, sondern vom Antrieb durch die Luft gedreht. Das hat den Vorteil, dass ich meinen Auftrieb unabhängig von der Vorwärtsbewegung mache. Ein Hubschrauber kann in der Luft schweben. Es bringt aber auch ein paar Nachteile mit sich die es handzuhaben gilt.

1. Das Gegendrehmoment dreht den Hubschrauber um die Hochachse.
2. Nur schweben, ohne Vorwärtsbewegung ist oft zu wenig.

Für beides gibt es Lösungen.

Der erste funktionierende Hubschrauber, die Fw61 brachte ein ausreichendes Gegendrehmoment auf indem ein zweiter Rotor in die entgegengesetzte Richtung drehte. Dadurch wurde Stabilität in der Hochachse erreicht. Bezahlt wurde dies durch eine aufwändige mechanische Konstruktion, und das Risiko welches entsteht, wenn die Auftriebspunkte sehr weit vom Masseschwerpunkt entfernt liegen.
Den Vortrieb erreichte die Fw61 konventionell durch einen Flugzeugpropeller. Auch ein konventionelles Seitenleitwerk war vorhanden. Gesteuert wurde die Fw61 nun in der Höhe durch die Motorleistung, und in der Horizontalen wie ein gewöhnliches Flugzeug.
Fw_61.png
Nun die Fw61 war der erste erfolgreich umgesetzte Versuch eines Hubschraubers. Moderne Maschinen sind ein wenig anders aufgebaut… auch wenn sich Verwandtschaften erkennen lassen.
Bei den meisten modernen Hubschraubern wird das nötige Gegendrehmoment durch einen Heckrotor aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass der Pilot, über die Steuerung des Heckrotors, direkten Einfluss auf die Lage des Fluggerätes in der Hochachse nehmen kann.
Um einen Hubschrauber, ohne eine spezielle Antriebseinheit für den Vortrieb, in der Horizontalen zu bewegen musste man sich etwas Besonderes einfallen lassen. Hier schlägt die Stunde der Cyclischen Rotorblattverstellung.
Herzstück der Cyclischen Rotorblattverstellung ist eine Taumelscheibe welche sowohl im Ganzen gehoben und gesenkt werden kann, als auch in jede Richtung neigbar ist.
https://www.youtube.com/watch?v=83h6QK-oJ4M
Mit der Taumelscheibe ist es möglich den AOA, und damit die Auftriebskraft der Rotorblätter, zu verändern. Dies geht sogar veränderlich über den Umlauf. Dadurch ist es z.B. möglich an bestimmten Sektionen des Rotorumlaufes den Auftrieb zu erhöhen. Dadurch kippt der Auftriebsvektor, und der Hubschrauber bewegt sich in Richtung des Summenvektors.

Wie wird ein Hubschrauber vom Piloten gesteuert?

Die Pedalerie wirkt auf den Heckrotor. Damit lässt sich der Hubschrauber um die Hochachse drehen. Wenn der Heckrotor, aber nicht in einer Ebene mit dem Hauptrotor liegt, dann erzeugt er eine Kraft die dem Hubschrauber leicht um die Längsachse kippt. Diese ist umso größer jeh größer das Gegendrehmoment des Heckrotors ist. Auch diese Bankbewegung muss ausgeglichen werden.
Der Stick bewirkt eine Cyclische Verstellung der Blätter des Hauptrotors. Dadurch wird der Aufriebsvektor geneigt.
Das Kollektiv ist eine Besonderheit der Hubschrauber. Mit dem Kollektiv wird der Anstellwinkel der Rotorblätter für den gesamten Umlauf verändert. Außerdem bestimmt der Pilot damit die Motorleistung.
Soll der Hubschrauber steigen, so erhöht der Pilot den Anstellwinkel durch ziehen des Kollektives. Dadurch erhöht sich aber auch der Luftwiderstand der Rotorblätter, und die Turbine muss mehr leisten, damit die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors gleichbleibt. Das bewerkstelligt der Pilot entweder durch einen Drehgriff am Kollektivhebel, oder es wird von einer automatischen Regelung erledigt. Gleichzeitig steigt das Drehmoment des Rotorantriebs. Das erfordert ein stärkeres Gegensteuern mit dem Heckrotor über die Pedale.
Soll der Hubschrauber nach vorne fliegen, so drückt der Pilot den Stick nach vorne. Dadurch wird der Auftrieb im Umlauf verändert. Befindet sich ein Rotorblatt im hinteren Teil, so erhöht sich der Anstellwinkel. Befindet es sich im vorderen Teil, so wird der Anstellwinkel verringert. Dadurch kippt der Hubschrauber ein wenig nach vorne, und damit auch der Auftriebsvektor. Betrachtet man die Summe der Vektoren, so sieht man, dass sich der Hubschrauber nach vorne bewegt, und dabei an Höhe verliert. Diesen Höhenverlust muss der Pilot mit dem Kollektiv ausgleichen. Dies hat eine Korrektur mit den Pedalen zur Folge.
Vorwärts.JPG
Soll der Hubschrauber abbremsen, so zieht der Pilot den Stick zu sich heran. Dadurch erhöht sich der Auftrieb auf der Vorderseite des Rotorumlaufes, und verringert sich auf der Rückseite. Dadurch entsteht ein Geschwindigkeitsvektor der der Bewegungsrichtung entgegensteht, und den Hubschrauber abbremst. Gleichzeitig werden die Rotorblätter steiler in den Wind gestellt. Der AOA erhöht sich, und damit der Auftrieb. Entweder der Hubschrauber steigt nun an, oder ich verringere das Kollektiv. Ohne Eingriff am Kollektiv wandelt der Pilot wie bei einem Gleiter potentielle Energie in kinetische und umgekehrt.
Hover.JPG
Beschleunigen.JPG
Abbremsen.JPG
. In gleicher Weise sind auch Seitwärtsbewegungen möglich.
Man sieht, dass ein Hubschrauberpilot sich ständig um seine Fluglage kümmern muss. Er wird aber mit ungeahnten Flugmöglichkeiten belohnt.

Wo liegen die Limits?

Eine der größten bauartbedingten Einschränkungen für Hubschrauber ist die begrenzte Geschwindigkeit. So gut und so beweglich ein Hubschrauber bei niedrigen Geschwindigkeiten ist, so sehr ist er eingeschränkt bei hohen Geschwindigkeiten. Dies hat verschiedene Gründe.
Bei einem Hubschrauber im Vorwärtsflug habe ich immer ein Rotorblatt welches sich in Flugrichtung bewegt, und eines welches sich der Flugrichtung entgegenbewegt. Die Bewegung des Hubschraubers addiert sich mit der der Rotorblätter zu einer Summe welche die Bewegung durch die Luft darstellt.
Heli-Anstr..png
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Es kommt zu einer Asymmetrie des Auftriebes. Auf der vorlaufenden Seite wird der Auftrieb mit zunehmender Geschwindigkeit immer größer, während er auf der rücklaufenden Seite mehr und mehr zusammenbricht. Dies muss auch wieder ausgeglichen werden. Die Möglichkeiten dazu sind aber irgendwann ausgeschöpft.
Des Weiteren kommt es auf der Vorlaufenden Seite des Rotors durch die Addition von Rotationsgeschwindigkeit und Fluggeschwindigkeit irgendwann zu Anströmgeschwindigkeiten welche die Schallgeschwindigkeit erreichen. Wer sich ein wenig mit der Entwicklung der Kampfflugzeuge in den 50er Jahren beschäftigt hat wird wissen wie dramatisch das Ringen um den Überschallflug ablief, und wie Drastisch sich in diesem Bereich Aerodynamik und Flugeigenschaften ändern. Die ersten Flugversuche die sich der Schallmauer näherten zeigten extreme Vibrationen, und den Verlust der Steuerfähigkeit. Es mussten komplett neue Lösungen gefunden werden um in diesen Geschwindigkeitsbereichen steuerbar zu sein. (Gepfeilte dünne Tragflächen, Höhenruder welche sich komplett bewegen, und nicht nur eine Leitfläche haben.)
Im Zuge eines Umlaufes wechseln also meine Anforderungen an mein Flügelprofil zwischen einem Fracht Flugzeug im Landeanflug und einer Überschallkonfiguration. Der Hubschrauber muss also mit der Flügelstreckung eines Segelflugzeuges bis an den Überschall heran, und mit einem dünnen Hochgeschwindigkeitsprofil den Langsamflug bewältigen.
Profile.jpg
Man kann sich nun wohl ein Bild machen welchen außergewöhnlichen Belastungen ein Rotorblatt im Laufe eines Umlaufes ausgesetzt ist.
https://www.youtube.com/watch?v=Ug6W7_tafnc
Um diese Belastungen handhabbar zu machen, und die Schwingungen vom Rotorkopf zu entkoppeln hat man Schlag und Schwenkgelenke eingeführt. Durch eine kardanische Aufhängung der Rotorblätter gelingt es den Rotorblättern in zwei Achsen Freiheit zu geben, und doch den Anstellwinkel weiter zu kontrollieren.
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Erst mit der Bo-105 gelang es Rotorblätter zu konstruieren welche Festigkeit und Elastizitätsmomente aufwiesen die eine starre Verbindung zum Rotorkopf erlaubten. Man sagt, dass der gelenklose Rotorkopf zu dem typischen schwirrenden Geräusch führt welches die BO-105 im harten Kurvenflug auszeichnet.

Strömungsabriss und Vortex

Ein paar Zeilen weiter oben habe ich beschrieben warum Hubschrauber ein Kompromissprofil in ihren Rotorblättern haben. Solche Kompromisse sind aber nicht sehr effektiv, speziell, wenn Extrembereiche betroffen sind. Bedingt durch die besondere Beweglichkeit von Hubschraubern liegen solche Extrembereiche aber in einfacher Reichweite. Das einfachste Beispiel ist ein Hubschrauber im Schwebeflug welcher schnell sinken möchte, und danach den Sinkflug wieder abfängt. Es kann so ein leichtes sein den AOA so weit zu erhöhen, dass an den Rotorblättern die Strömung abreißt, und damit der Auftrieb auf ein Minimum fällt.
Der Vortex ist ein Phänomen, welches die gleichen Startbedingungen hat: Eine starke Vertikale Abwärtsbewegung bei geringer Vorwärtsbewegung. Dabei entsteht ein Wirbelring bei dem der Downwash des Rotors die Rotorebene umkreist und wieder von oben auf den Rotor drückt. So weit so gewöhnlich. Das passiert schließlich auch im Hover. Wenn ich aber, bei geringer Vorwärtsgeschwindigkeit stark sinke, dann erreiche ich irgendwann ein Stadium wo die Rezirkulation so groß wird, dass der Auftrieb zusammenbricht. Die Gefahr eines Vortex besteht wenn der Wind der durch das Sinken entsteht so groß wird, dass er die Rotorebene durchdringt. Dies findet zuerst im inneren des Rotors statt, da dort der Downwash am geringsten ist. Von nun an ist die tragende Druckdifferenz von innen und von außen Angriffen ausgesetzt. Dies kann schließlich zum Verlust des Auftriebes führen. Eine zügige Vorwärtsbewegung bietet eine gute Gewähr dafür, dass kein Vortex auftritt, da man den Bereich des Wirbels ja ständig hinter sich lässt. Dies schützt aber nicht vor Strömungsabriss bei hart geflogenen Manövern. Das gilt zwar auch für Flächenflugzeuge, aber bei denen hat man bei der Gestaltung der Tragflächen viel größere Spielräume.
Um die Kontrolle wieder zu erlangen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Beim Strömungsabriss muss der Pilot den AOA verringern. Dazu kann er das Kollektiv betätigen, oder den AOA über eine Vorwärtsbewegung verringern. Beim Vortex kann man versuchen den Bereich der Verwirbelung zu verlassen. Das kann auch zur Seite passieren. Hierbei ist es aber richtig den Hubschrauber auf voller Leistung zu betreiben. Eine andere Möglichkeit besteht darin dem Wirbel die Energie zu entziehen. Es mag widersinnig erscheinen, aber so wie das Sinken das Problem erzeugt hat so kann sinken auch die Lösung sein. Auch Autorotation ist ein probates Mittel gegen den Vortex.

Hier noch ein paar Videos zum Vortex:

https://www.youtube.com/watch?v=HjeRSDsy-nE
(Bei der in diesem Video beschriebenen Technik zum recovern macht sich der Pilot die Schubkraft des Heckrotors zu Nutze. Nicht nur duch die Bewegung des Sticks, sondern auch durch die Schubkraft des Heckrotors kommt der Hubschrauber aus dem Bereich des tödlichen Wirbels. Und durch das max. Kollektiv ist auch die Kraft am Heckrotor maximal.)
https://www.youtube.com/watch?v=P30SyNldEy4
https://www.youtube.com/watch?v=IkdJVP5MkXw

Man mag sich ausmalen wie sich ein Vortex / Strömungsabriss NOE auswirkt. Kampfhubschrauber bewegen sich aber oft in geringen Höhen, und ggf. mit extremen Manövern. (Hier haben wir in DCS das Glück, dass diese Dinge simuliert werden. In Janes Apache Longbow 1&2 war Vortex kein Thema)
Neben den heute üblichen Konstruktionen gibt es noch ein paar Sonderformen welche versuchen die Limits des Flugprinzips noch weiter auszudehnen. Ich möchte hier zwei Beispiele Anführen.

Koaxialrotoren:

Die Russische Hubschrauberschmiede Kamov hat eine lange Tradition in der Konstruktion von Hubschraubern mit Koaxialrotoren. Dabei bewegen sich zwei Rotoren übereinander in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch erschlage ich gleich zwei Fliegen mit einer Klappe:
1. Die Gegendrehmomente gleichen sich aus.
2. Im Vorwärtsflog kommt es nicht zu einer asymmetrischen Auftriebsentwicklung.
Kamov erkauft sich das mit einer viel aufwändigeren Gestaltung des Rotorkopfes, und einem entsprechenden Getriebe. Außerdem bewegen sich die Rotoren in der verwirbelten Luft des anderen. https://www.youtube.com/watch?v=akgJO5GCe6I

Schwenkrotoren:

Der amerikanische Osprey versucht die Vorteile eines Flächenflugzeuges und eines Hubschraubers zu verbinden. Ein Osprey ist ein Transportflugzeug mit 2 kippbaren Rotorgondeln am Ende der Tragflächen. Starten und landen kann der Osprey ausschließlich vertikal, wie ein Hubschrauber. Einmal in der Luft kann der Osprey seine Rotorgondeln kippen und vom hubschrauberähnlichen (Die Großpropeller haben sogar jeh eine Taumelscheibe) Flug in die Flugweise eines Flächenflugzeuges wechseln (Trasition). Der Vorteil ist eine enorme Steigerung der Geschwindigkeit und Reichweite. Erkauft wird das mit großen Anforderungen an die mechanische Konstruktion der Tragflächen, und die Zuverlässigkeit der Motoren. Es ist auch eine belastbare Kraftkopplung beider Motoren nötig. Anderenfalls hätte schon ein nennenswerter Leistungsabfall eines Motors fatale Folgen. Außerdem hat der Osprey nicht mehr die Agilität eines normalen Hubschraubers.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ ... .240p.webm
Bild

Ignis cadent de caelo.

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JaBoG32_Siddharta
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Re: Eigenheiten des Hubschrauberfluges

Beitrag von JaBoG32_Siddharta » 24. Mär 2018, 14:45

Danke Tool für diese Details!
Seit ich zum erstenmal eine Taumelscheibe im Deutschen Museum gesehen habe, versuch ich das Prinzip zu verstehen.
Hat lange gedauert und Dein Artikel hat noch ein paar Lücken geschlossen.
JaBoG32 322nd "Flying Monsters"

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Popeye
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Re: Eigenheiten des Hubschrauberfluges

Beitrag von Popeye » 27. Jun 2018, 21:31

Hi Toolface,

tolle Zusammenstellung! Mit deinem Hintergrundwissen fällt einem das Verständnis für die Simulation sehr viel leichter. Die Simulation selbst gewinnt auch viel mehr Tiefe.
Schade nur, dass die Passage über Koaxialrotoren so kurz war, jetzt muss ich selbst raus finden, was man damit alles machen kann. :D

Grüße
Popeye

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