Luftfahrt - Schulen
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1 LUFTFAHR T 5.a Benjamin Meier 2003 2 VERFASSER: BENJAMIN MEIER KLASSE: 5.A JAHR: 2003 © BY BENJAMIN MEIER BEURTEILER: MAG. SCHWINGENSCHUH 5.a Benjamin Meier 2003 3 INNH HA AL LT TSSV VE ER RZ ZE EIIC CH HN NIISS 1 EINTEILUNG DER LUFTFAHRTZEUGE UND GRUNDBEGRIFFE 1.1 Hauptgruppen der Luftfahrzeuge 1 1 1.2 Grundbegriffe eines Flugzeuges 2 1.2.1 Detailansicht und Aufbau einer Tragfläche 2 1.3 Grundbegriffe eines Hubschraubers 3 1.3.1 Detailansicht eines Rotorkopfes 3 2 STRÖMUNGSLEHRE 4 2.1 Auftrieb 4 2.1.1 Auftriebsentstehung am Profil 4 2.2 Widerstand 5 2.3 Das Profil 5 2.3.1 Geometrie des Profils 6 2.4 Die Tragfläche 6 2.4.1 Geometrie der Tragfläche 6 2.4.2 Strömungen an der Tragfläche 6 2.4.2.1 Induzierter Widerstand 6 2.4.2.2 Iterferenzwiderstand 7 2.4.2.3 Auftriebsteigerung durch Veränderung des Profils 7 3 ANGREIFENDE KRÄFTE 9 UND STABILITÄT 3.1 Kräfte 9 3.1.1 Vortrieb 9 3.1.2 Gewicht 10 3.1.3 Gleitflug 10 3.1.4 Kraftflug 10 3.1.5 Kräfte im Kurvenflug 10 3.2 Stabilität 11 3.2.1 Kursstablilität 11 3.2.2 Längsstabilität 11 3.2.3 Querstastabilität 11 5.a Benjamin Meier 2003 4 4 TRIEBWERKE 13 4.1 Kolbentriebwerke 13 4.1.1 Einteilung der Kolbentriebwerke 13 4.2 Strahltriebwerke 14 4.2.1 Funktion der Strahltriebwerke 14 4.2.2 Staustrahltriebwerk 14 4.2.3 Pulsationstriebwerk 15 4.2.4 Raketentriebwerk 15 4.2.5 Turbinenluftstrahltriebwerk 15 4.2.5.1 Einteilung der Turbinenluftstrahltriebwerke 16 5 HUBSCHRAUBER 19 5.1 Probleme bei Hubschraubern und ihre Lösungen 19 5.1.1 Konstruktion 19 5.1.2 Drehmoment 20 5.1.3 Vorwärtsflug 23 5.2 Steuerung 24 5.a Benjamin Meier 2003 5 1 EIINNTTEEIILLUUNNG GD DE ER R LU UFFTTFFA AH HR RZZE EU UG GE EU UN ND D GRRUUNNDDBBEEG GR RIIFFFFE E 11..22 H Haauuppttggrruuppppeenn ddeerr LLuuffttffaahhrrzzeeuuggee::11 Leichter als Luft Statischer Auftrieb Das Gesamtgewicht ist leichter als die verdrängte Luftmenge Auftrieb nach dem Archimedischen Prinzip Ballone 1.Freiballon 2 Fesselballon Luftschiffe 1. unstarr 2.halbstarr 3.starr Schwerer als Luft Dynamischer Auftrieb Das Gesamtgewicht ist schwerer als die verdrängte Luftmenge Auftrieb nach dem Bernoullischen Gesetz Flugzeug Motorsegler Segelflugzeug Drehflügler Gleitflugzeug Dynamisch um alle drei Achsen steuerbar Hängegleiter Ausschließlich oder teilweise statisch steuerbar Tragschrauber Auftrieb durch nicht angetriebenen Rotor, Vortrieb durch Propeller Flugschrauber Auftrieb durch angetriebenen Rotor Vortrieb durch Propeller Hubschrauber Auftrieb und Vortrieb durch angetriebenen Rotor Außerdem werden Flugzeuge nach der Art, Anordnung bzw. Anzahl von Triebwerken (dreimotorig, Düsenflugzeug...) und Tragflächen (Doppeldecker, Hochdecker...) und nach der Landungsart (Wasserflugzeug, Spornradfahrwerk...) eingeteilt. Hubschrauber unterscheiden sich durch die Vielfalt ihrer Rotorsysteme (Heckrotor, Tandemrotoren...), Fahrwerk (Kufen, Radfahrwerk...), Art der Motoren (Kolbenmotor, Turbomotor...) und der Anzahl dieser. 1 GOETSCH, Ernst: Luftfahrzeugtechnik: 2. Aufl. Stuttgart: Motorbuch Verlag, 2002. 5.a Benjamin Meier 2003 6 11..33 G Grruunnddbbeeggrriiffffee eeiinneess FFlluuzzeeuuggeess ((S Sppoorrttfflluuggzzeeuugg)):: Seitenflosse Seitenflosse Höhenruder Leitwerk Tragwerk Höhenflosse Landeklappe Querruder Triebwerk Tragfläche Hauptfahrwerk Fahrwerk Bugfahrwerk 1.3.1 Detailansicht und Aufbau einer Tragfläche (Passagier- und Sportflugzeug) 5.a Benjamin Meier 2003 13 11..44 G Grruunnddbbeeggrriiffffee eeiinneess H Huubbsscchhrraauubbeerrss ((m miitt H Heecckkrroottoorr)):: Hauptrotor Heckrotor Rotorkopf Rotorblatt Hauptfahrwerk Triebwerk Fahrwerk Höhenruder Sporenrad 1.4.1 Detailansicht des Rotorkopfes (koaxiales Rotorsystem): Blattarme Schlag/Schwenkgelenke Taumelscheiben Steuerstangen 5.a Benjamin Meier 2003 14 2 Strömungslehre 2.1 AUFTRIEB (FA): Es gibt zwei Arten von Auftrieb. Während der statische Auftrieb nach dem archimedischen Prinzip nicht durch Strömung entsteht, entwickelt sich der dynamische Auftrieb nach den bernoullischen Gesetzen nur durch Umströmung eines Körpers. Dynamischer Auftrieb entsteht sowohl wenn sich der Körper selbst in ruhender Luft bewegt, wie es beim Flugzeug oder Hubschrauber geschieht, als auch wenn der Körper feststeht und sich die Luft um ihn bewegt, wie es im Windkanal passiert. Auch wenn der Körper von Flüssigkeit umströmt wird, entsteht Auftrieb, der zum Beispiel beim Tragflächenboot genutzt wird. Bei Flugzeugen ist der Auftrieb erzeugende Teil normalerweise das Tragwerk, also die beiden Tragflächen. Diese haben ein bestimmtes Fa Profil, das bei der Umströmung den je Flugzeugtypen Fw bestmöglichen Auftrieb nach erzeugen. Auftrieb entsteht zwar auch an einer ebenen Platte, wenn diese schräg auf den Luftstrom ausgerichtet ist. Doch entwickelt sich dabei ein zu großer Widerstand. 2.1.1 Auftriebentstehung am Profil: Der Auftriebsentstehung durch das Profil liegt das DruckGeschwindigkeitsgesetz zugrunde, nachdem ein Gas oder eine Flüssigkeit, die ein in der Mitte verengtes Rohr durchströmt bei Ein- und Ausfluss das gleiche Volumen hat. Das heißt, dass das Gas bzw. die Flüssigkeit sich im verengten Rohrteil schneller bewegt. (Allerdings werden Gase dabei auch komprimiert, was aber erst bei einer Geschwindigkeit über Mach 0,4 ins Gewicht fällt.) Das Profil verhält sich bei einer Umströmung ähnlich: Es verengt die Strömung an der Oberseite, lässt aber auch an der 5.a Benjamin Meier 2003 15 Unterdruck Unterseite Luft vorbei. Dadurch strömt an der Unterseite eine größere Luftmenge vorbei als Fa an der Oberseite. So entsteht unten Überdruck bzw. oben Unterdruck. Überdruck 22..22 D Deerr W Wiiddeerrssttaanndd ((FFwww)):: Wenn ein Körper von Gas oder einer Flüssigkeit umströmt wird, stellt er für das strömende Medium ein Hindernis dar. Das Medium muss ausweichen und bremst dadurch den Körper oder sich selbst (je nachdem wer sich bewegt). Diese „Bremsung“ nennt man Wiederstand. Der Widerstand ist abhängig Größe, von Form, Beschaffenheit der Oberfläche und Umströmung verschiedener Körper mit gleicher Stirnfläche 100% Geschwindigkeit der Umströmung. 90% 40% 35-10% 3% Mit Zunahme der Größe Vergleichsmäßiger Widerstand im Unterschallbereich des Körpers (dabei ist nur die angeblasene Fläche [Stirnseite] relevant) steigt der Widerstand linear. Aber Versuche im Windkanal haben gezeigt, dass ein Körper durch Formveränderung trotz gleich großer Stirnfläche um 95% weniger Widerstand erreicht. 22..33 D Daass P Prrooffiill:: Aufgrund der verschieden Verwendungszwecke von Luftfahrzeugen haben sich Profil mit konvexer Unterseite asymmetrisch Profil mit gerader Unterseite Laminarprofil 5.a Benjamin Meier symmetrisch 2003 16 verschiedene Tragflächenprofile entwickelt. Zum Beispiel werden für Überschallflugzeuge spezielle Profile benötigt. Um diese verschiedenen Profile einzuteilen gibt es festgelegte Bezugslinien und Verhältnisse. 2.3.1 Geometrie des Profils: a- Skelettlinie: Sie wird gefunden, indem man die Mittelpunkte aller ins Profil legbaren Kreise miteinander verbindet. b- Sehne: Sie ist die gerade Verbindung von den beiden Schnittpunkten der Skelettlinie mit dem Profil. Bei konvexen Profilen ist sie einfach die Verbindungslinie der tiefsten Punkte. c- Anstellwinkel: Ist der Winkel zwischen Profilsehne und Anströmrichtung. d- Einstellwinkel: Ist der Winkel zwischen Profilsehne und Flugzeuglängsachse. 22..44 D Diiee TTrraaggffllääcchhee:: 2.4.1 Geometrie der Tragfläche: a- Spannweite (b): Der Abstand von einer Flügelspitze zur anderen b- Flügelfläche (S): Die Projektionsfläche beider Tragflächen ohne Berücksichtigung des Rumpfes. c- Flügeltiefe (t): Ist gleich der Läge der Sehne des Profils. Da aber Tragflächen meist eine gewisse Zuspitzung haben, ist die Flügeltiefe meist nicht konstant. Die mittlere Flügeltiefe lässt sich folgendermaßen berechnen: tm = S / b d- Zuspitzung (): Ist das Verhältnis von Spitzentiefe zur Wurzeltiefe. = ti / ta e- V-Stellung: Sie kann positiv oder negativ sein. Bei positiver V-Stellung ist die Flügelspitze über, bei negativer unter Flügelwurzel. f- Pfeilung: Auch sie kann positiv und negativ sein. Bei positiver ist die Flügelspitze hinter, bei negativer vor der Flügelwurzel. 2.4.2 Strömungen an der Tragfläche: 2.4.2.1 Induzierter Widerstand: Da an der Unterseite der Tragfläche Überdruck und an der Oberseite Unterdruck herrscht, versucht die Luft der Unterseite zur oberen zu gelangen. Dieses ist nur an den Flügelspitzen möglich. So 5.a Benjamin Meier 2003 17 entstehen im Flug Wirbezöpfe, die Energie benötigen, welche dem Luftfahrzeug im Form von Widerstand entzogen wird. Es können aber bestimmte Flügelspitzenformen (zum Beispiel Winglets = hochgezogene Flügelspitzen) Abhilfe schaffen. 2.4.2.2 Interferenzwiderstand: Er ergibt sich aus der Überlagerung einzelner Widerstände, die sich entweder gegenseitig aufheben oder erhöhen. Demnach ist er die Differenz zwischen dem Gesamtwiderstand und der Summe der Einzelwiderstände. Wenn der Gesamtwiderstand größer ist als die Summe der Einzelwiderstände spricht man von einen positiven (aber ungünstigen), im umgekehrten Fall von einem negativen (aber günstigen) Interferenzwiderstand. 2.4.2.3 Auftriebssteigerung durch Veränderung des Profils:i Da Flugzeuge beim Start aber auch bei der Landung bei geringerer Geschwindigkeit mehr Auftrieb benötigen, wurden verschiede auftriebssteigernde Hilfsmittel geschaffen: Auftriebserhö S K I Z Z E hung durch: FUNKTION Auftrieb serhöhung Profilveränderung 50% Profilveränderung nur 60% Landeklappe Spreizklappe an der Unterseite Schlitzklappe Profilveränderung und 65% Strömungsbeeinflussun g durch Spalt Junkers Profilveränderung Doppelflügel 70% durch Verstellung einer tiefergelegenen RuderKlappeneinheit Zapklappe Profilveränderung und 90% Vergrößerung der Tragenden Fläche 5.a Benjamin Meier 2003 18 Fowlerklappe Profilveränderung und 95% Vergrößerung der Tragenden Fläche Fowlersystem Große 100% Profilveränderung und Vergrößerung der Tragenden Fläche Krüger Klappe Profilveränderung und 50% Vergrößerung der Tragenden Fläche Vorflügel Profilveränderung und 60% Vergrößerung der Tragenden Fläche Vorflügel + Extreme Profil- und Fowlersystem 120% Flächenveränderung Ausgefahrene Fowlerklappen und Vorflügel eines Japanischen Amphibienflugzeuges 5.a Benjamin Meier 2003 19 3 ANNG GR RE EIIFFE EN ND DE E KR RÄ ÄFFTTE EU UN ND D STTA AB BIILLIITTÄ ÄTT 3.1 Kräfte Insgesamt sind es vier Kräfte, welche auf fliegende Flugzeuge einwirken: 1. Auftrieb (Fa) Fa 2. Gewicht (G) 3. Vortrieb (Fv) 4. Widerstand (Fw) 5. Angriffspunkt aller Kräfte (CG) Fv CG Fw G Jeder Kraft entspricht eine Gegenkraft, die bei gleichbleibender Höhe und Geschwindigkeit im Gleichgewicht stehen: Fa = G Fv = Fw Um eine Änderung der Höhe bzw. Geschwindigkeit herbeizuführen muss eine Kraft im Vergleich zur Gegenkraft vergrößert oder verkleinert werden. 3.1.1 Vortrieb: Vortrieb entsteht ausschließlich nach dem Rückstoßprinzip, das heißt, dass sowohl bei Flugzeug, Auto oder Schiff, eine gleich große Kraft entgegen der Bewegungskraft wirkt. Aktion = Reaktion. 5.a Benjamin Meier 2003 20 3.1.2 Gewicht: Jeder Körper bzw. dessen Masse wird von der Erdanziehug nach unten gezogen. Dabei laufen alle Wirkungslinien durch den Schwerpunkt. Als Schwerpunkt bezeichnet man den Punkt in dem das Gesamtgewicht angreift. Wenn man den Körper mit einer Nadel genau auf diesen Punkt aufstellen würde, müsste er stehen bleiben. (Allerdings dürften keine äußeren Einwirkungen vorhanden sein). Auch Luftfahrzeuge besitzen einen Schwerpunkt und einen Auftriebsmittelpunkt, den Angriffspunkt des Auftriebs. Diese Punkte sollten bei Flugzeugen möglichst nahe beieinander liegen, um keine Hebelwirkung entstehen zu lassen. 3.1.3 Gleitflug: Da im Gleitflug kein motorischer Antrieb zur Verfügung steht, wird F v durch eine Komponente des Gewichts ersetzt, das Absinken wird dabei durch F a und Fw gebremst. Daraus resultiert die Luftkraft R. = Gleitwinkel R=G Fa = G cos Fw = G sin Fv = Fw 3.1.4 Kraftflug: Da in der Praxis nicht alle Kräfte im Schwerpunkt einwirken, muss das meist kopflastige Moment durch Trimmung ausgeglichen werden. 3.1.5 Kräfte im Kurvenflug: Um der Fliehkraft im Kurvenflug eine Gegenkraft zu bieten, muss sich das Flugzeug in die Kurve legen. Der Auftrieb gleicht sowohl das in die Senkrechte wirkende Gewicht als auch die Fliehkraft, die in die Waagrechte wirkt, aus. So benötigt man bei schnellem Kurvenflug und engem Radius eine hohe Querneigung, die zu einer hohen g-Belastung führt. 5.a Benjamin Meier 2003 21 3.2 Stabilität: Man bezeichnet Flugzeuge als stabil, wenn sie nach Störungen ihrer Flugbahn wieder in ihre ursprüngliche Lage zurückkehren. Dabei unterscheidet man zwischen statischer (es muss eine rückführende Kraft vorhanden sein) und dynamischer Stabilität (die Rückkehr in die Ausgangslage erfolgt in gedämpften Schwingungen). Außerdem unterscheidet man noch die Stabilität des Flugzeugs um seine drei Achsen: statisch indifferent statisch stabil statisch labil dynamisch stabil dynamisch labil dynamisch indifferent 3.2.1 Kursstabilität (Hochachse): Bei einem Abweichen vom Kurs durch äußere Einflüsse hilft die Trägheit das Flugzeug auf Kurs zu halten. Rückdrehende Momente entstehen nur durch die unterschiedlich angeblasenen Flächen von Rumpf und Seitenleitwerk. Ausserdem unterstützen gepfeilte Tragflächen die Kursstabilität. 3.2.2 Längsstabilität (Querachse): Sie entsteht dadurch, dass bei einer Änderung um die Querachse sich die Anstellwinkel von Höhenflosse und Tragfläche verändern. Dadurch entsteht eine Hebelwirkung, die über den Schwerpunkt das Flugzeug in die Ursprungslage zurückführt. 5.a Benjamin Meier 2003 22 3.2.3 Querstabilität (Längsachse): Falls ein Flugzeug unbeabsichtigt (Wind) in Schräglage gebracht wird, dreht es sich durch eine positive V-Stellung der Tragflächen wieder in die Ursprungslage zurück, da die beim seitlichen Weggleiten entstehende relative Luftgeschwindigkeit an der tiefer liegenden Tragfläche ein rückdrehendes Moment hervorruft. Verstärkt wird dieses Moment durch die geänderte Auftriebsverteilung, da die tiefer gelegene Tragfläche auch mehr Auftrieb erzeugt. Bei Militärflugzeugen (vor allem Jagdflugzeuge) ist zu große Querstabilität aber unerwünscht, da sie die Wendigkeit bei hoher Geschwindigkeit stark einschränkt und so erhalten die Tragflächen eine negative V-Stellung oder eine starke Pfeilung. Negative V-Stellung des AV-8 Harrier 2, 5.a Benjamin Meier 2003 23 4 TRRIIEEBBW WE ER RK KE E 44..11.. K Koollbbeennttrriieebbw weerrkkee:: Sie waren in der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts die wichtigsten Schuberzeuger. Heute sind sie nur mehr bei Sportflugzeugen zu finden. Bei Verkehrsflugzeugen und in der militärischen Luftfahrt sind sie heute durch Strahltriebwerke und Turboproptriebwerke fast völlig ersetzt. Sie sind im Grunde wie Automotoren konstruiert, hatten aber größere Leistungen (bis zu 2500kW) und mussten zuverlässiger und leichter sein. Außerdem waren auch oft andere Zylinderanordnungen zu finden wie Sternanordnung und hängende V-Anordnung. 4.1.1 Einteilung der Kolbentriebwerke: 1. Verwendungszweck: Schul-, Sport-, Verkehrs- oder Militärflugzeuge 2. Arbeitsweise: Ottomotor, Dieselmotor 3. Arbeitsverfahren: 4-Taktmotoren, 2-Taktmotoren 4. Kühlung: luftgekühlte oder flüssigkeitsgekühlte Motoren 5. Zylinderanordnung: Reihe, hängend V, hängend Stern 5.a Boxer Doppel-Stern Benjamin Meier 2003 19 44..22.. S Sttrraahhllttrriieebbw weerrkkee:: Der Rückstoßantrieb wurde schon im 13 Jh. In China entdeckt und bei Brandwaffen verwendet. Erst im zweiten Weltkrieg fanden Raketentriebwerke Anwendung bei Flugzeugen und außerdem wurde die aus der Dampfturbine entwickelte Gasturbine als Turbinenluftstrahltriebwerk (TL) zu Serienreife gebracht. 4.2.1 Funktion der Strahltriebwerke: So sehr sich Kolben und Strahltriebwerke in der Funktionsweise unterscheiden, so ähnlich ist die Entstehung des Vortriebes (Schub). Sowohl der Propeller eines Kolbentriebwerkes als auch Strahltriebwerke beschleunigen in der Zeiteinheit eine gewisse Luftmenge. Aus dem Newton´schen Gesetz folgt, dass, wenn ein Körper durch innere Kräfte eine Masse fortstößt bzw. beschleunigt, eine Gegenkraft (Reaktion, Rückstoß) einen gleich großen Impuls erhält wie der Körper. Bei einem Propeller wird der Schub durch das mäßige Beschleunigen einer großen, beim Strahltriebwerk durch das hohe Beschleunigen einer kleinen Luftmasse erzeugt. Das heißt, dass zur Erzeugung von Schub Umgebungsluft in eine der Flugrichtung entgegengesetzte Bewegung versetzt werden muss. Bei homogener Beschaffenheit der bewegten Luftmasse kann der Schub folgendermaßen berechnet werden: S = mL (c-v) Wobei S = Schub in N mL = Luftmasse in kg/s c = Geschwindigkeit der bewegten Luftmasse in m/s v = Fluggeschwindigkeit in m/s Den Standschub, als Einheit für die Leistung von Strahltriebwerken gebräuchlich, errechnet man mit: S = mL c 4.2.2 Staustrahltriebwerk: Ist die einfachste Art des Luftstrahltriebwerkes, da kein Verdichter oder andere rotierende Teile vorhanden sind. Es besteht im Grunde aus einem Rohr mit verengten Ausgangsquerschnitten, in dem sich Kraftstoffeinspritzer und Zündkerze befinden. Allerdings funktioniert ein Staustrahltriebwerk nur, wenn der 5.a Benjamin Meier 2003 20 von vorne wirkende Staudruck größer ist als der durch die Zündung entstehende Verbrennungsdruck . Somit eignet sich das Staustrahltriebwerk nicht zum Startantrieb von Flugzeugen und Schub Staudruck Flugrichtung findet daher nur selten Verwendung (Marschtriebwerk von Flugkörpern und Versuchsflugzeugen, Blattspitzenantrieb bei Hubschraubern) 4.2.3 Pulsationstriebwerk: Aufbau dem Im Staustrahltriebwerk sehr ähnlich, besitzt allerdings am Einlassrohr eine Ventilwand, die nur einseitige Gasbewegung 1. Takt = Ansaugen zulässt. Somit braucht es keinen ständigen Staudruck, wird aber nur mehr bei Versuchsflugkörpern verwendet. 2. Takt = Zünden (Z.B. bei der deutschen V1) 4.2.4 Raketentriebwerk: Es erzeugt Schub, indem ein Brennstoff in einer Brennkammer, die nur an einer Seite eine Öffnung hat, verbrennt. Dieser Brennstoff ist entweder ein fester Brennstoff, dem Sauerstoff beigemengt wurde oder eine Mischung aus flüssigem Brennstoff und flüssigem Sauerstoff. So können Raketentriebwerke auch im luftleeren Raum eingesetzt werden, benötigen allerdings viel Treibstoff. 4.2.5 Turbinenluftstrahltriebwerk: Es besteht im Grunde aus einem Rohr mit einer Brennkammer mit einem vorangehenden Verdichter und einer dahinter gelegenen Turbine, die die Bewegungsenergie der Gase in eine Drehbewegung umwandelt und diese auf den Verdichter überträgt, welcher dadurch frische Luft in die Brennkammer drückt. Dieser Verdichter ist entweder ein Radialverdichter oder ein Axialverdichter. 5.a Benjamin Meier 2003 21 Ein Radialverdichter ist im Prinzip eine Scheibe, an deren Vorderseite Schaufeln angebracht sind, die in der Mitte die Luft ansaugen und dann mit Hilfe der Fliehkraft beschleunigen. Verdichter Radialverdichter kommen bei Turboprop und Turbomotoren Turbine Prinzip eines Turbinenluftstrahltriebwerks zum Einsatz. Weit häufiger findet der Axialverdichter Verwendung. Er besteht aus feststehenden (Stator) und drehenden Schaufeln (Rotor). Dadurch, dass die Rotor- und Statorschaufeln in verschiedene Richtungen gewölbt sind, entsteht über mehrere Verdichterstufen (meistens 6-12) ein immer höherer Druck. Stator Rotor Statorschaufel Rotorschaufel Prinzip eines Axialverdichter und Lage der Schaufeln Prinzip des Radilverdichters 4.2.5.1 Einteilung der Turbinenluftstrahltriebwerke a- Turbinenstrahltriebwerk (TL) oder Turbojet bzw. Düsentriebwerk: Der Abgasstrahl ist die einzige Antriebsquelle, da die gesamte Luftmenge, die von der ersten Verteilerstufe erfasst wird, die Brennkammer durchläuft. Es eignet sich besonders für Geschwindigkeiten ab ca. 1000km/h und wird daher vor allem in der militärischen Luftfahrt eingesetzt. 5.a Benjamin Meier Turbinenstrahltriebwerk 2003 22 b- Zweikreis-Turbinenluftstrahltriebwerk (ZTL) oder Turbofan bzw. Nebenstromtriebwerk: Es entzieht dem Abgasstrahl mehr Energie als für die Verdichtung von Nöten wäre. Die so gewonnenen Energie wird von einem Niederdruckverdichter genutzt, um Luft in einer äußeren Ummantelung zu beschleunigen. So erhält man eine große Schubleistung auf Kosten der Abgasgeschwindig keit. Da sich das ZTL für 700 – 1000 km/h eignet, wird es besonders bei Passagier- und Transportflugzeugen eingesetzt. c- Propellerturbinenstrahltriebwerk (PTL) oder Turboprop: Wie beim ZTL wird dem Abgasstrahl Energie, allerdings in viel größeren Mengen, entzogen, um über ein Getriebe einen Propeller zu betreiben. So bringt der Gasstrom nur noch eine geringe Restleistung auf, wodurch es für Geschwindigkeiten von 500-700 km/h genützt wird und so vor allen bei Zubringer Kurzstreckenflugzeugen findet. Nur die und kleineren Verwendung Turboprop russische Luftfahrtindustrie setzte es in großen Passagierflugzeugen und Bombern ein. Turbuproptri ebwerke des russischen Transporters Antonov An12 mit je 2944kW 5.a Benjamin Meier 2003 23 d- Turbomotor (TM): Dem Abgasstrahl wird so viel Energie wie möglich entzogen und über ein Getriebe auf eine drehzahlreduzierte Welle übertragen. Der TM findet bei Hubschraubern aber versuchsweise auch in Autos, Lokomotiven, Panzern und Schiffen Anwendungsmöglichkeiten. 5.a Benjamin Meier 2003 24 5 HUUBBSSCCHHRRAAUUBBEERR Die ersten Fluggeräte mit rotierenden Tragflächen (Rotor) wurden schon im 11 Jh. in China als Kinderspielzeug gebaut und um 1490 fertigte Leonardo da Vinci einige Skizzen von einem Fluggerät an, das einem Hubschrauber nahekommt. Doch bis zum Start eines bemannten Drehflüglers dauerte es noch bis ins 20 Jh. Die ersten dieser Fluggeräte waren auf Grund der einfachen Konstruktion Tragschrauber (auch Autogiros genannt), deren Auftrieb durch einen nicht angetriebenen Rotor und deren Vortrieb aber durch einen Propeller bewerkstelligt wurde. Sie konnten beinahe senkrecht starten und landen, wurden aber über Höhen-, Seiten- und Querruder gesteuert und konnten weder ruhig in der Luft stehen (Schwebeflug), noch sich in alle Richtungen bewegen (z.B. rückwärts). Der erste funktionstüchtige Hubschrauber (er konnte sich in alle Richtungen bewegen) war der Focke-Wulf 61, ein Entwurf des deutschen Luftfahrtpioniers Henrich Focke im Jahr 1936. Dieser Erfolg spornte viele andere Nationen an, intensiver an der Weiterentwicklung von Hubschraubern zu forschen und nach dem 2. Weltkrieg bauten sowohl Amerika, Russland als auch Frankreich eine erfolgreiche Hubschrauberindustrie auf, deren Entwicklung und Erfolg bis heute anhält. 55..11 P Prroobblleem mee bbeeii H Huubbsscchhrraauubbeerrnn uunndd iihhrree LLöössuunnggeenn:: 5.1.1 Konstruktion: Ein Luftfahrtpionier behauptete einmal, dass ein Hubschrauber ein Haufen von Schrauben und anderen Einzelteilen sei, der mehr oder weniger in Formation fliege. Doch diese vielen Teile müssen zusammenhalten und dürfen dabei nicht zu schwer werden. Das Gewichtproblem wurde vor allem durch den relativ leichten Turbomotor beseitigt, die Einzelteile verschaffen auch heute noch Probleme. Selbst moderne Hubschrauber benötigen eine regelmäßige Wartung (meist nach 20 Flugstunden). Als Lösung werden jetzt Verbundwerkstoffe (Kevlar, Glasfaser, Kohlenfaser...) in Erwägung gezogen, die sowohl leichter als auch anspruchsloser, aber teurer sind. 5.a Benjamin Meier 2003 25 5.1.2 Drehmoment: Das größte Problem bei der Entwicklung des Hubschraubers war das Drehmoment. Das Triebwerk erzeugt beim Antreiben des Rotor ein Drehmoment und bewirkt im Rumpf ein Gegendrehmoment. Würde demnach ein Hubschrauber mit nur einem Rotor ohne Ausgleichssystem abheben, würde der Rumpf sich entgegen den Rotor zu drehen beginnen. Das heißt, dass man eine ausgleichende Kraft benötigt, die man auf verschiedene Weisen erreichen kann: Koaxiales Rotorsystem: Zwei gegenläufige Hauptrotoren werden übereinander montiert. Da sich die beiden Rotoren in unterschiedliche Richtung bewegen, hebt sich deren Drehmoment auf. Vorteil: Dieses System benötigt wenig Platz die ganze Triebwerksleistung wird zur Erzeugung von Auftrieb verwendet. Nachteil: Der untere Rotor erhält die schon vom oberen Rotor „verbrauche“ Luft und kann dadurch nicht soviel Auftrieb erzeugen. Dieser Effekt wird um so größer, je weiter die beiden Rotoren von einander entfernt sind. Verwendung findet das System bei russischen Hubschraubern der Firma Kamov (Bild Kamov 32) Tandemrotorsystem: Zwei gegenläufige Rotoren werden hintereinander montiert. Der Drehmomentausgleich funktioniert gleich wie beim koaxialem Rotorsystem. Vorteil: Es wird wieder die gesamte Triebwerkleistung in Auftrieb umgewandelt und Hubschrauber mit diesem System sind sehr wendig. Nachteil: Im Vorwärtsflug erhält der hintere Rotor nur die verwirbelte Luft des vorderen und erzeugt dadurch weniger Auftrieb. Verwendung findet das System bei Transporthubschraubern der Firma Boeing. (Bild: Boeing CH-47 Chinook) 5.a Benjamin Meier 2003 26 Seitliche Hauptrotoren: Die beiden gegenläufigen Rotoren werden seitlich vom Rumpf angebracht. Vorteil: Die ganze Triebwerkleistung wird wieder zur Auftriebserzeugung verwendet. Die Luftströmungen der Rotoren beeinflussen die Auftriebserzeugung im Vorwärtsflug nicht. Nachteil: Die beiden Rotoren müssen auf seitlichen Auslegern angebracht werden, die die ganze Last zu tragen haben Dieses System brachte es aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen bis jetzt nicht zur Serienreife.(Bild: Kamov 22 Prototyp) Ineinandergreifende Hauptrotoren: Zwei gegenläufige Rotoren werden so montiert, dass sie wie Zahnräder (allerdings ohne Berührung) schräg ineinander greifen. Vorteil: Sehr gute Leistungsumwandlung, weil sich die Luftströme durch den schrägen Einbau nicht beeinflussen, und einfache Konstruktion. Nachteil: Es können nur Zweiblattrotoren verwendet werden, da sich mehrblättrige gegenseitig zerstören würden. Außerdem gefährden die Rotorspitzen umstehende Personen. Verwendung findet das System bei Hubschraubern der amerikanischen Firma Kaman (Bild: Kaman H-43 Huskie) Heckrotorsystem: Heckausleger Ein vertikal auf einem montierter Rotor erzeugt wie ein Propeller eine Kraft, die das Gegendrehmoment ausgleicht. Vorteil: Einfache Konstruktion und Anwendungsmöglichkeit von Sport- bis zu Transporthubschraubern. 5.a Benjamin Meier 2003 27 Nachteil: 20% der Triebwerksleistung werden im Schwebeflug für den Heckrotor benötigt, der auch umstehende Personen gefährdet. Außerdem erzeugen die Luftwirbel zw. Haupt- und Heckrotor eine hohe Lärmbelastung. Fast alle modernen Hubschrauber passieren auf dem Heckrotorsystem. (Bild: Bell AH-1 Huey Cobra) NOTARsystem: Notar ist die Abkürzung für NO TAil Rotor, zu deutsch kein Heckrotor. Dabei wird der Heckrotor durch ein Gebläse und Steuerdüsen ersetzt. Vorteil: Hubschrauber mit diesem Rotorsystem sind extrem leise und umstehende Personen sind nicht gefährdet. Nachteil: Im Schwebeflug wird immer noch Leistung für das Gebläse benötigt. (Im Vorwärtsflug übernehmen Ruder den Drehmomentausgleich.) Verwendung findet dieses System bei Hubschraubern von Boeing Blattspitztenantrieb: Da das Drehmoment nur auftritt, wenn der Rotor über eine Welle angetrieben wird, gab es den Versuch, den Rotor durch Düsen oder einem Gebläse an den Blattspitzen in Bewegung zu versetzen. Vorteil: Es entsteht kein Drehmoment Nachteil: Dieses System ist extrem laut, die Rotorblätter müssen sehr stabil sein und der Treibstoffverbrauch ist immens hoch. Es wurde nur ein serienmäßiger Hubschrauber (Sud-Oest SO 1221 Djinn, ca. 200 Exemplare) mit diesem System gebaut. (Bild: Hughes Erprobungsträger) 5.a Benjamin Meier 2003 28 5.2.3 Vorwärtsflug: Die begrenzte Geschwindigkeit eines Hubschraubers (ca. 370 km/h) ensteht durch die unterschiedliche Belastung der vorläufigen zur rückläufigen Seite des bzw der Hauptrotoren. Wenn die Blattspitzengeschwindigkeit eines Hubschraubers ca 700 km/h beträgt und dieser mit 200 km/h vorwärts fliegt, so beträgt die Geschwindigkeit des sich nach Flugrichtung Blatspitzengeschwindigkeit hinten drehenden Rotorblattspitze gegenüber der stehenden Luft nur mehr 500 km/h, die des sich nach vorne drehenden aber schon 900 km/h. Abgesehen von der in diesem Falle ungleichen Auftriebsverteilung bei Hubschraubern mit einem Hauptrotor reißt bei dem sich nach hinten drehenden Rotorblatt irgendwann die Strömung ab, (das geschieht dann, wenn der Faktor Vorwärtsgeschwindigkeit zu Blattspitzengeschwindigkeit größer als 0,5 wird), und die sich nach vorne drehende Blattspitze kommt in die Nähe der Überschallgeschwindigkeit. Dann kommt es zu Vibrationsproblemen, die ungefähr bei Mach 0,92 zur Zerstörung des Rotorblattes führen können. 55..22 S Stteeuueerruunngg:: Die Steuerung des Hubschraubers ist abhängig davon, welches Rotorsystem verwendet wird 5.a Benjamin Meier 2003 29 Rotorsystem Drehung um die Hochachse Heckrotorsystem Durch den Heckrotor Drehung um die Drehung um die Querachse Längsachse Durch ein Neigen des Rotors Höhenruder Koaxiales Drosselung eines Durch ein Neigen der Rotorsystem Rotors Höhenruder Rotoren Im Vorwärtsflug durch Seitenruder Tandemrotorsyst Neigung eines Rotors Drosselung eines Neigen der em Rotoren 5.a in die Drehrichtung Rotors Benjamin Meier 2003 30 i GOETSCH, Ernst: A. a. O., S.1. 5.a Benjamin Meier 2003
