Hubschrauber

Aus SystemPhysik
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Ein Hubschrauber oder Helikopter ist Luftfahrzeug, das durch einen oder mehrere Drehflügel Auftrieb und Vortrieb erhält. Die Drehflügel, Rotoren genannt, wirken wie drehende Tragflächen.

Funktion

Die rotierenden Rotorblätter erzeugen gegenüber der anströmenden Luft einen dynamischen Auftrieb. Dieser Auftrieb hängt vom Profil, vom Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit ab. Die Anströmgeschwindigkeit entspricht Überlagerung der Eigenbewegung der Rotorblätter und der Bewegung des Hubschraubers.

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 und mit dem zyklischen Steuerknüppel in jede Richtung geneigt werden kann. Der obere, sich mit dem Rotor drehende Teil der Taumelscheibe überträgt den gewünschten Einstellwinkel an den Blattwurzeln auf die Rotorblätter. Bei der kollektiven Blattverstellung verändert der Pilot den Einstellwinkel aller Rotorblätter gleichmäßig, was zum Steigen oder Sinken des Hubschraubers führt. Die zyklische Blattverstellung dient zur Steuerung der Horizontalbewegung des Hubschraubers durch Neigung der Hauptrotorebene.

Giermomentausgleich

Der Rotor wird durch einen Antrieb im Rumpf in Drehung versetzt (Ausnahme:Blattspitzenantrieb). Dieser Antrieb pumpt Drehimpuls aus dem Hubschrauber in den Rotor (Drehsinn in Richtung der Rotorbewegung). Der Hubschreiber würde sich infolge des Drehimpulsentzugs immer stärker in die Gegenrichtung drehen. Um dieses Giermoment auszugleichen, gibt es mehrere Möglichkeiten:

  • Ein Heckrotor führt den fehlenden Drehimpuls über eine Hebelwirkung zu
  • Zwei gegenläufig drehende Hauptrotoren, die entweder übereinander auf der selben Achse (Koaxialrotor), hintereinander (Tandem-Konfiguration) oder nebeneinander angeordnet sind, heben sich bezüglich der Drehimpulsbilanz auf.

Mag ein System mit zwei Rotoren auf den ersten Blick als effizientere Konstruktion erscheinen, so hat sich in der Praxis aber weitgehend das Einrotorsystem mit Heckrotor durchgesetzt. Ursachen sind die niedrigeren Bau- und Wartungskosten bei nur je einem Rotorkopf. Hinzu kommt die nicht aussteuerbare Unsymmetrie des Auftriebs bei Ausfall eines der beiden Rotorantriebe. Meist wird der Heckrotor aus dem Hauptgetriebe über Wellen und Umlenkgetriebe angetrieben, so dass seine Drehzahl stets proportional zu der des Hauptrotors ist.

Flugleistungen

Hubschrauber erreichen prinzipiell nicht die Flugleistungen von Starrflügelflugzeugen. Die Höchstgeschwindigkeit liegt meist zwischen 200 und 300 km/h, einige Kampfhubschrauber erreichen 340 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. Für den Piloten äußert sich dies zum Beispiel in starken Schwingungen, die die Kontrolle des Hubschraubers erschweren. Die Geschwindigkeit eines Hubschraubers jedoch auch durch das rücklaufende Rotorblatt begrenzt. Hier führt die Kombination aus hohem Anstellwinkel (zyklische Verstellung, s. o.) und geringerer Strömungsgeschwindigkeit beim Rücklauf zum Strömungsabriss und damit Auftriebsverlust. Viele Hubschrauber kippen daher zuerst in Richtung zum rücklaufenden Rotorblatt, bevor das vorlaufende Blatt in den Überschallbereich gelangt.