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Dr. András Jancsó
Helikopter
Grundlagen Unterschiede
Flugzeug HelikopterAuftrieb: Vorwärtsbewegung von festen Flügeln Auftrieb: Rotation von Drehflügeln (Rotor)
Aerodynamik: relativ einfach Aerodynamik: komplizierte Verhältnisse
Auftrieb
Gewicht
Gewicht
LuftwiderstandLuftwiderstand
Vortrieb
Helikopter
Helikopter
Bauarten der Drehflügel
a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug
Helikopter
Bauarten der Drehflügel
a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug
Helikopter
Bauarten der Drehflügel
a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug
Helikopter
Bauarten der Drehflügel
a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug
Helikopter
Bauarten der Drehflügel
a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug
Bauarten der Drehflügel
a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug
Helikopter
Helikopter
Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit
– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk
Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:
– Heckrotor,– Heckdüse
Helikopter
Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit
– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk
Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:
– Heckrotor,– Heckdüse
Helikopter
Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit
– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk
Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:
– Heckrotor,– Heckdüse
Helikopter
Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit
– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk
Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:
– Heckrotor,– Heckdüse
Helikopter
Anordnung der Rotoren
Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)
Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise
Helikopter
Anordnung der Rotoren
Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)
Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise
Helikopter
Anordnung der Rotoren
Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)
Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise
Helikopter
Anordnung der Rotoren
Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)
Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise
Helikopter
Anordnung der Rotoren
Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)
Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise
Helikopter
Steuerung
Die Vermessung und Beschreibung der Bewegungen des Helikopters erfolgt in Koordinatensystemen:
a, das helikopterfeste Koordinatensystem mit dem Index 1b, das strömungsfeste Koordinatensystem ohne Index
Koordinatensprung: Schwerpunkt des Helikopters
Helikopter
Steuerung
Die Benennung der Achsen und der zugeordneten Bewegungen:
Achse Bewegung
Längsachse x RollenQuerachse y NickenHochachse z Gieren
Helikopter
Steuerung
Die Steuerorgane des Helikopters (auf dem Bild: die Copilotenseite)
1. Instrumentenbrett2. Steuerknüppel (stick, cyclic) 3. Blattverstellhebel (collective)4. Seitensteuerpedale (pedals)
Helikopter
Steuerung
1. Instrumentenbrett2. Steuerknüppel (stick, cyclic) 3. Blattverstellhebel (collective)4. Seitensteuerpedale (pedals)
Steuerknüppel vor und zurück Längssteuerung NickenSteuerknüppel seitlich Quersteuerung RollenBlattverstellhebel Vertikalsteuerung Steigen, Sinken,
SchwebenSeitensteuerpedal Seitensteuerung Gieren
Helikopter
Steuerung
1. Instrumentenbrett2. Steuerknüppel (stick, cyclic) 3. Blattverstellhebel (collective)4. Seitensteuerpedale (pedals)
Im Vorwärtsflug werden - durch den Cyclic die Kurven oder das Steigen und Sinken eingeleitet- mit den Pedalen kann der Hubschrauber um die Hochachse an Ort gedreht
werden, und - mit dem Collective steuert der Pilot das Steigen und Sinken im Schwebeflug,
und zusammen mit dem Cyclic die Geschwindigkeit im Vorwärtsflug.
Abb 1
Helikopter
Steuerung
Sobald der Pilot am Collective nach oben zieht, wird der Anstellwinkel aller Rotorblätter um den gleichen Betrag erhöht. Dadurch nimmt der Gesamtauftrieb zu und der Helikopter beginnt zu steigen.
Sinngemäss verringert sich der Anstellwinkel, wenn der Pilot den Collective nach unten drückt.
Helikopter
Steuerung
Wird der Cyclic nach vorne gedrückt, wird der Anstellwinkel der Rotorblätter während einer Umdrehung kontinuierlich geändert. Durch den unterschiedlichen Auftrieb wird die Rotorblatt-ebene nach vorne geneigt.
Selbstverständlich neigt sich die Ebene nach hinten, sobald der Pilot den Cyclic nach hinten zieht.
Helikopter
Steuerung
Dasselbe wie vorher beschrieben geschieht, wenn der Pilot den Cyclic entweder nach rechts oder nach links drückt.
Helikopter
Steuerung
Mit den Pedalen wird der Anstellwinkel aller Heckrotorblätter um den gleichen Betrag verstellt (ähnlich der Collectiven Blattverstellung am Hauptrotor). Dadurch erhöht oder verringert sich der Heckrotorschub.
Helikopter
Steuerung - Zusammenhänge
Sobald der Pilot an einem der drei Steuer etwas verändert, muss er an den beiden Anderen ebenfalls korrigieren.
Helikopter
Steuerung - Zusammenhänge
Sobald der Pilot an einem der drei Steuer etwas verändert, muss er an den beiden Anderen ebenfalls korrigieren.
Beispiel: Der Pilot muß am Collective ziehen, wenn er im Schwebeflug etwas steigen will.
Der Vorgang:
Helikopter
Steuerung - Zusammenhänge
Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.
Helikopter
Steuerung - Zusammenhänge
Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.
Dies bewirkt nun, dass durch den größeren Anstellwinkel der Rotorblätter (und dadurch erhöhter Luftwiderstand) das Drehmoment zunimmt. Dadurch beginnt sich der Hubschrauber um die Hochachse zu drehen, was nur mit einer Korrektur am Heckrotor verhindert werden kann.
Helikopter
Steuerung - Zusammenhänge
Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.
Dies bewirkt nun, dass durch den größeren Anstellwinkel der Rotorblätter (und dadurch erhöhter Luftwiderstand) das Drehmoment zunimmt. Dadurch beginnt sich der Hubschrauber um die Hochachse zu drehen, was nur mit einer Korrektur am Heckrotor verhindert werden kann.
Da nun der Heckrotor einen größeren seitlichen Schub liefert, wird auch die seitliche Versetzung des Hubschraubers vergrößert, was wiederum nur mit einer Korrektur am Cyclic ausgeglichen werden kann.
Helikopter
Steuerung - Technik
Die Steuerung eines Hubschraubers wird über • Steuerstangen, • Umlenkhebel und • Steuerseile, von den Steuerorganen auf die Taumelscheibe (resp. zum Heckrotor) sichergestellt.
Steuerung – Technik
Taumelscheibe
drehender Teil
Helikopter
Taumelscheibe
fixer Teil
Obere UmlenkhebelSteuerstangen
Untere Umlenkhebel
Collective
Cyclic
Das wichtigste Element der Steuerung eines Hubschraubers ist die Taumelscheibe. Sie liegt auf der Rotorachse, direkt unter dem Hauptrotor und ist zuständig für die Übertragung der Steuerimpulse auf dieeinzelnen Rotorblätter. Der fixe oder untere Teil ist über Steuerstangen und Umlenkhebel mit dem Steuerknüppel verbunden und der drehende oder obere Teil mit jedem einzelnen Rotorblatt.
Steuerung – Technik
Taumelscheibe
drehender Teil
Helikopter
Taumelscheibe
fixer Teil
Obere UmlenkhebelSteuerstangen
Untere Umlenkhebel
Collective
Cyclic
Wird nun die Taumelscheibe mit dem Steuerknüppel nach vorne oder zur Seite geneigt, ändert sich der Anstellwinkel jedes Rotorblattes während einer Umdrehung (zyklische Blattverstellung). Wenn Der Pilot am Collective nach oben zieht, bewegt sich die Taumelscheibe als Ganzes nach oben und der Anstellwinkel aller Rotorblätter wird gleichzeitig erhöht (kollektive Blattverstellung).
Steuerung – Technik
Taumelscheibe
drehender Teil
Helikopter
Taumelscheibe
fixer Teil
Obere UmlenkhebelSteuerstangen
Untere Umlenkhebel
Collective
Cyclic
Die Steuerung wird bei kleineren Hubschrauber in der Regel mit hydraulischen Servomotoren unterstützt, um den Kraftaufwand des Piloten zu verringern. Bei mittleren und großen Hubschraubern treten an der Taumelscheibe so große Kräfte auf, dass eine rein mechanische Steuerung (nur mit Steuerstangen und Umlenkhebel) nicht mehr möglich ist, und die Steuerung nur mit hydraulischer Unterstützung gewährleistet werden kann.
Helikopter
Aerodynamik des Helikopters
Rotorströmung im VertikalflugDie Haptkräfte an einem Helikopter:
FA = Auftriebkraft des Rotors
FZ = Zugkraft des Rotor sin Flugrichtung
FG = Gewichtskraft des Helikopters
FW = Luftwiderstand des Helikopters
Helikopter
Aerodynamik des Helikopters
Strömungsverlauf durch die Rotorscheibe
schematische Darstellungdes Strömungsverlaufs imSchwebeflug
Helikopter
Aerodynamik des HelikoptersStrömung am Rotorblatt im Schwebe- und Steigflug Geschwindigkeits- und Kraftvektoren am Rotorblatt:1, = ProfilsehneFA = Auftriebkraft
FN = Normalkraft zur Rotordrehebene
FW = Luftwiderstand des Rotorblattes
FT = Widerstand des Blattes in Rotordrehebene
FR = Resultierende Luftkraft
δ = Blatteinstellwinkelα = Anstellwinkelvd = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft durch die Rotorebene
u’ = Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts w = effektive Anströmgeschwindigkeit
δ
Helikopter
Aerodynamik des Helikopters
Der Winkel des Rotorkonus
β = KonuswinkelS = Schwerpunkt des Rotorblattsa = Abstand des Gelenkpunkts
vom Mittelpunkt rS = Abstand des Schwerpunkts
vom MittelpunktFAB = Auftriebskraft
FF =Fleihkraft eines Blatts
Helikopter
Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug
Asymmetrie der Blattströmung im Horizontalflug
Helikopter
Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug
Die Durchströmungsrichtung der Rotorblätter bei horisontaler Anströmung:
Die Konusform des Rotors bewirkt, daß das vordere Blatt bei Anströmung in Richtung der Rotorebene von unten und das hintere von oben durchströmt wird.
Helikopter
Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug
Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:
• Schlagbewegung• Schwenkbewegung
Helikopter
Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug
Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:
• Schlagbewegung• Schwenkbewegung
Helikopter
Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug
Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:
• Schlagbewegung• Schwenkbewegung
Helikopter
Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug
Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:
• Schlagbewegung• Schwenkbewegung
Helikopter
Geschwindigkeitsbegrenzung des Helikopters
Der Bereich der Rückanströmung des zurücklaufenden Blattes ist eine Kreisfläche mit dem Durchmesser (d), der mit der Fluggeschwindigkeit zunimmt. Erreicht die Fluggeschwindigkeit die Umlauf-geschwindigkeit der Blattspitzen, ist der Durchmesser der Rückanströmung (d) gleich dem Rotorradius.
Helikopter
Unterschied zwischen Hubschrauber- undTragschrauberzustand
Hubschrauberzustand: Durchströmung von oben nach unten
Tragschrauberzustand: Durchströmung von unten nach oben
Helikopter
Mechanik des Helikopters
Rotorkopf - BlattsteuerungMittels einer Taumelscheibe
1. Blatthebel2. Stoßstange3. Steuerstange4. Rotorwelle5. Nur kippbarer Teil der Taumelscheibe6. kippbarer und drehbarer Teil der Taumelscheibe
Helikopter
Mechanik des HelikoptersGegliederter Rotorkopf
1. Schwenkgelenk2. Rotornabe3. Schlaggelenk4. Schwenkdämpfer5. Drehbarer Ring der Taumelscheibe6. Anlenkung für kollektive und
zyklische Blattverstellung7. Stoßstange8. Nicht drehbarer Ring der Taumelscheibe9. Blatthebel
Helikopter
Mechanik des HelikoptersRotorkopf ohne Schlag- und Schwenkgelenke
1. Rotornabe2. Stoßstange3. Drehbarer Ring der Taumelscheibe4. Mitnehmerschere5. Rotorblatt6. Hauptblattbolzen7. Nebenblattbolzen8. Blatthebel
Helikopter
Mechanik des HelikoptersRotorkopf ohne Schlag- und Schwenkgelenke
1. Heißöse 2. Rotornabe 3. innre Befestigung der Zugelemente 4. Außenhülse 5. Nadellager 6. äußre Befestigung des Zugelementes 7. Zugelement 8. Blatthebel 9. Innenhülse10. Nebenblattbolzen11. Hauptblattbolzen
Helikopter
Mechanik des HelikoptersDer gelenk- und lagerlose Rotor
Rotorkopf ohne mechanische Gelenke, Lager und Dämpfer, mit elastischen Elementen
Helikopter
Mechanik des HelikoptersKardanisch gelagerte Taumelscheibeohne mechanische Schlag- und Schwenkgelenke V = vorn 1, Rotornabe 2, Rotorblatt 3, Blatthebel 4, Stoßstange 5, Scheibehülse 6, Rotorwelle 7, dehbarer Ring der Taumelscheibe 8. nur kippbarer Ring der Taumelscheibe 9, Kardanachsen der Taumelscheibe10, Anlenkhebel zur Neigung der Taumelscheibe11, Hebel für zyklische Blattverstellung (Querrichtung)12, Hebel für zyklische Blattverstellung (Längsrichtung)13, Hebel für kollektive Blattverstellung14, Mitnehmerschere
Helikopter
Bauweisen der Rotorblätter
• Holz• Metall• Kunststoff (Schaum und Komposit)
Helikopter
Bauweisen der Rotorblätter
1, Bleistange2, Erosionsschutz aus Titanblech3, Holm aus GFK unidirektional 4, Haut aus GFK in 45° Lage5, Kern aus PVC Hartschaum
Helikopter
Bauweisen der Rotorblätter
1, Gummischicht2, Stahlschiene3, Strangpreßprofil aus Aluminiumlegierung 4, Aluminiumwabenkern5, Deckblech aus Aluminiumlegierung
Helikopter
Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!