Deckblatt Seminar
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Schuljahr 2012/13 Seminararbeit Aerodynamische Effekte am Ausleger des Notar Rohfassung Stand 17.5.2013 vorgelegt von: Telefon: email: Christoph Dietrich 08381/84346 [email protected] eingereicht bei: Herrn Meyer Anrechnungsfach: Physik Mentor: Herr Grupp Abgabetermin: 01.06.20 Inhaltsverzeichnis 1. Das Notarsystem.................................................................................................. 3 1.1. Namenserklärung .......................................................................................... 3 1.2. Geschichtlicher Hintergrund .......................................................................... 3 1.3. Eigenschaften des Systems .......................................................................... 3 2. Funktionsweise des Notarsystems ....................................................................... 5 3. Physikalische Effekte ........................................................................................... 6 3.1. Der Bernoulli-Effekt ....................................................................................... 6 3.1.1 Physikalische Wirkungsweise an Bernoullis Versuch ............................. 6 3.1.2 Übertragung des Effekts auf die das Tragflächenprofil ........................... 6 3.1.3 Weitere Anwendung des Bernoulli Effekts in der Technik ....................... 7 3.2. Der Coandă-Effekt ......................................................................................... 7 3.2.1 Physikalische Wirkungsweise des Coandă-Effekt................................... 7 3.2.2 Weitere Anwendung des Coandă-Effekts ............................................... 7 4. Stabilisierung durch den Downwash .................................................................... 8 4.1. Technische Funktion des Heckauslegers ...................................................... 8 5. Gründe für das Zylinderprofil des Auslegers ........................................................ 9 6. Quellenverzeichnis ............................................................................................. 10 7. Abbildungsverzeichnis ....................................................................................... 11 Notarsystem bei Hubschraubern Das Notarsystem 1. Das Notarsystem 1.1. Namenserklärung Beim Notarsystem (No-tail-rotor) handelt es sich um ein Steuerungssystem ohne Heckrotor. Der durch den Hauptrotor auf die Kabine einwirkende Torque-Effekt1 wird statt durch einen kommerziellen Heckrotor durch einen Luftstrom aus dem Heckausleger ausgeglichen. 1.2. Geschichtlicher Hintergrund Das Notarsystem wurde am 17. Dezember 1981 erstmals eingesetzt. Zu diesem Zeitpunkt wurde es von der amerikanischen Firma McDonnell Douglas (MDD-Helicopters) entwickelt und patentiert. Seit diesem Zeitpunkt wurden mehrere Modelle von McDonnell Douglas mit diesem System ausgestattet. Nach inneren Problemen innerhalb der Firma wurde das Patent schließlich 1999 an Boeing abgegeben. Der Firmen Name änderte sich damit auch in „MD Helicopters, Inc.“ und begründete damit die Marke MD Helicopters. welche 3 Modelle mit Notarsystem vertreiben. 1.3. Eigenschaften des Systems Das Notarsystem schließt alle bekannten Probleme durch den Heckrotor aus. Dazu zählen: Leiser da die Luftströmungskreuzung des Hauptrotors und Heckrotors nahezu wegfallen Sicherer da Gefahren für dritte durch den kommerziellen Heckrotor ausgeschlossen sind Wartungsfreundlicher, da weniger Mechanische Bauteile verbaut werden Verbraucht weniger Energie beim Vorwärtsflug, da er durch die Flossen am der Hubschrauber stabil gehalten wird. Dadurch kann nahezu die gesamte Treibwerksleistung für den Hauptrotor verwendet wird. Gefahr vor Schäden des Heckrotors durch Berührung von Hindernissen entfällt Weniger Vibrationen durch da weniger mechanische Bauteile im Heckausleger verbaut sind 1Propeller/Rotor-Drehmoment, Rolltendenz um Rotorachse entgegengesetzt zur Rotordreh- richtung (Schuch) Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 3 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Das Notarsystem Weitere Vorteile der ausgestatteten Hubschrauber: Patienten können „von Kopf bis Fuß behandelt werden“2 da die inneren und äußeren Abmessungen vergleichbar enorm sind Extrem kurze Warmlaufzeiten (30sec. MD 902)3 2 3 (Bredow) (Team, 2002) Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 4 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Funktionsweise des Notarsystems 2. Funktionsweise des Notarsystems Das System nutzt Luft zur Stabilisierung der Personenkabine. Diese wird durch einen Lufteinlass (Air Intake) unterhalb des Rotors angesaugt und mit einem variabel ansteuerbaren Ventilator (Variable-pitch Fan) in den Heckausleger beschleunigt. Auf diesem Weg tritt Luft durch Längsschlitze aus dem Ausleger und stabilisiert den Hubschrauber mit der Hauptrotorabluft (Downwash) zusätzlich4. Die restliche beschleunigte Luft verlässt den Heckausleger durch eine variable Schubstrahldüse (Direct Jet Thruster) welche über die Pedale des Piloten gewünschte Drehungen der Kabine in die jeweilige Richtung vornimmt. Am Heckausleger befinden sich zusätzlich zwei vertikale Stabilisierungsflossen welche den Hubschrauber beim Vorwärtsflug in seiner Lage halten. Abbildung 1 Bauteilbezeichnung 4 Siehe … Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 5 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Physikalische Effekte 3. Physikalische Effekte Zur Stabilisierung des Hubschraubers anhand der Form des Heckauslegers Tragen zwei besondere Effekte bei. Der Bernoulli und Conadă Effekt. 3.1. Der Bernoulli-Effekt Der Schweizer Physiker Daniel Bernoulli (1700 – 1782) stellte zusammen mit Giovanni Battista Venturi (1746 – 1822) Theorien über Strömungsmechaniken auf. Venturi stellte fest dass ein unter hohem Druck mit Fluid durchflossenes Rohr mit einer engstelle an dieser eine höhere Fließgeschwindigkeit aufweisen kann. Bernoulli stellte fest dass mit dieser höheren Fließgeschwindigkeit ein Druckabfall einhergeht. 3.1.1 Physikalische Wirkungsweise an Bernoullis Versuch In einem Rohr wird Wasser mit konstantem Druck hindurchgepumpt. Befindet sich eine Engstelle darin, muss das Wasser an dieser schneller fließen um nach dem Passieren die gleiche Geschwindigkeit wie anfangs beizubehalten. Die Ursache liegt im Fließverhalten von Fluiden. Der Fluss beschreibt die gleichmäßige Bewegung von Teilchen die den Platz eines Vorhergehenden Teilchens einnehmen. Dabei entsteht neuer Platz für nachrückende Teilchen. In einem Rohr kann das Fluid nur so schnell fließen wie Teilchen nachrücken. Die Nachrückgeschwindigkeit wird durch den Druck5 beschrieben. An der Engstelle im Rohr werden die Teilchen ausgebremst, da weniger Platz für nachrückende Teilchen vorhanden ist. Um nach der Engstelle mit der Anfangsgeschwindigkeit weiterfließen zu können, muss die Entsprechende Teilchenmenge vorhanden sein. Damit dies möglich ist, müssen die Teilchen die Engstelle mit einer höheren Geschwindigkeit passieren. Da die Fließgeschwindigkeit der Nachrückgeschwindigkeit entspricht, erhöht sich der Druck an der Engstelle. 3.1.2 Übertragung des Effekts auf die das Tragflächenprofil In der Luftfahrt betrachtet man die Luft als konstanter Strom der von der Tragfläche eines Flugobjekts durchschnitten wird. Dieser konstante Strom ist mit dem Anfangsrohr zu vergleichen. Hinzukommt das Profil der Tragfläche welche auf der Unterseite eine kürzere Strecke als auf der Oberseite aufweist. Somit kann der konstante Strom ungehindert auf der Unterseite hindurchfließen. Die längere Seite staut, durch ihre Form, Luft auf der Vorderseite an. Zusammen mit der längeren Strecke, die die Luftteilchen passieren müssen fehlen am Ende des Profils Luftteilchen was einen Unterdruck zu Folge hat. Auf dem Tragflächenprofil wirkt ein Unterdruck. Da für Druck eine Kraft vorausgesetzt wird, wirkt nach Newton eine Gegenkraft und somit ein 5 Kraft * Fläche Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 6 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Physikalische Effekte Gegendruck auf der Unterseite des Profils. Diese Kraft ist stärker als die Gravitationskraft der Erde und ermöglicht somit dem Luftfahrzeug von der Erde abzuheben. 3.1.3 Weitere Anwendung des Bernoulli Effekts in der Technik Der „Zumischer“ bei der Feuerwehr. Dabei handelt es sich um eine Engstelle, zum einkoppeln in eine Schlauchleitung, welche Schaummittel aus Kanistern saugt und damit den Löschschaum erzeugt. Der Bernoulli-greifer kann durch diesen Effekt als Pneumatische Spannvorrichtung eingesetzt werden. 3.2. Der Coandă-Effekt Der Rumänische Physiker und Aerodynamiker Henri Marie Coandă (1886 – 1972) entdeckte den nach ihm benannten Effekt. Dieser basiert zum Teil auf dem Bernoulli Gesetz. Zu diesem Effekt fließt ein Fluid an einer Oberfläche entlang. Es ist ein „ankleben“ zu beobachten. Dies liegt daran dass bei einem Strom immer umliegende Teilchen mitgerissen werden. An einer glatten Oberfläche ist nur eine bedingte Anzahl an Teilchen vorhanden das ein Vakuum. Dieses hält den Strahl an der Oberfläche. 3.2.1 Physikalische Wirkungsweise des Coandă-Effekt Wen ein Fluid-Strom vergrößert betrachtet wird, ist ein Teilchenstrom zu beobachten. Dabei werden ruhende freie Teilchen außerhalb des Stroms mitgerissen. Dabei entsteht ein Leerer Raum der sofort von einem anderen freien Teilchen gefüllt wird. Trifft dieser Strom steil auf eine Oberfläche und fließt an dieser entlang, werden noch immer freie Teilchen mitgerissen. Da durch die Oberfläche verhindert wird dass der leere Raum gefüllt werden kann, entsteht ein Unterdruck. Der daraus resultierende Überdruck „drückt“ den Strom an die Oberfläche. 3.2.2 Weitere Anwendung des Coandă-Effekts Belüftungssysteme von Gebäuden Sorgt dafür das Wasser am Rand des Fallrohrs an einer Regenrinne hinunterfließt Stabilisierung durch den Downwash Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 7 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Stabilisierung durch den Downwash 4. Stabilisierung durch den Downwash 4.1. Technische Funktion des Heckauslegers Die Abluft des Hauptrotors (Downwash) fließt als Luftstrom senkrecht nach unten. Dabei trifft er auf den Heckausleger und fließt an seiner Oberfläche durch den Coandă-Effekt entlang nach unten weiter. Um diesen Effekt technisch zu nutzen wurden seitlich in Längsrichtung Schlitze angebracht. Aus diesen fließt Luft heraus, welche den Luftstrom an der Oberfläche zusätzlich beschleunigt. Dies sorgt für eine einseitige Verstärkung des Coandă-Effekts. Dadurch knickt der Downwash leicht ab und verkürzt auf der, von hinten betrachtet, linken Seite den Strom. Dabei entsteht ein Tragflächenprofil aus Luft. An diesem Profil greift letztendlich der Bernoulli-Effekt an. Dieser erzeug auf der, von hinten betrachtet, rechten Seite einen Unterdruck. Durch den Gegendruck auf der gegenüberliegenden Seite wird eine Kraft gegen den Torque-Effekt erzeugt. Damit wird der Hubschrauber in seiner Position stabil gehalten. Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 8 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Gründe für das Zylinderprofil des Auslegers 5. Gründe für das Zylinderprofil des Auslegers Die Luftströmung sorgt am Heckausleger für ein Tragflächenprofil. Was sind die Gründe dafür das der Ausleger diese Form nicht als feste Bauform trägt? Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 9 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Quellenverzeichnis 6. Quellenverzeichnis Hubschrauber. (26. 3 2010). Abgerufen am http://www.hubschrauber.li/index_frame.htm 11. 4 2013 von Wie funktioniert eigentlich der Coanda-Effekt? (3. 1 2012). SBZ Monteur, S. 10-11. Wikipedia. (27. 3 2013). Abgerufen am 12. 4 http://de.wikipedia.org/wiki/McDonnell_Douglas_NOTAR 2013 von Alfred, E. (21. 12 2006). Evert-Website. Abgerufen am 16. 4 2013 von http://www.evert.de/ap0509.htm Böger, A. (2012). Flettner-Rotors. Abgerufen am 2013. 4 16 von http://flettner-rotor.de/physikalisches/bernoulli-effekt Bredow, W. (kein Datum). Lexikon der Flugzeuge von Wolfgang Bredow (Berlin-Spandau). Abgerufen am 12. 4 2013 von http://www.bredowweb.de/ILA_2000/Helicopter_2/MD_600_N/md_600_n.html; http://www.bredowweb.de/ILA_2002/Helicopter/MD_902_Explorer/md_902_explorer.html Feldmann, D. (2003). Helistation. Abgerufen am 2013. 4 12 von http://www.oocities.org/helifreak02/technik.htm Herzberg, R. (11 2008). Rotorblatt. Exklusiv: Mit der DRF-Luftrettung im Notfall-Einsatz, S. 20-27. Hodel, W. (8 2005). Cockpit. MD Helicopters: Die Flüsterer vom Zürichsee, S. 6-7. Luftrettung Hamburg. (kein Datum). Abgerufen am 2013. 4 16 von http://www.luftrettung-hamburg.de/html/hubschraubertechnik.html Planet Schule. (kein Datum). Abgerufen am 16. 4 2013 von http://www.planet-schule.de/warum/fliegen/themenseiten/t4/s3.html Sandhop, D. (1999-2013). Heliport. Abgerufen am 2013. 4 16 von http://www.heliport.de/lexika/hubschrauber-physiklexikon/#c67 Schlieben, H. (kein Datum). German-Helicopter. Abgerufen am 12. 4 2013 von http://www.germanhelicopter.com/statdispl/type_report/sd_md600n.html Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 10 von 11 Notarsystem bei Hubschraubern Abbildungsverzeichnis Schuch, A. (kein Datum). Flugzeugfliegen.com. Abgerufen am 16. 4 2013 von http://www.flugzeugfliegen.com/luftfahrt-glossar/385-torque-effekt Team. (2002). rth.info. Abgerufen am 12. http://www.rth.info/typen/typen.php?show=md900 4 2013 von 7. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Bauteilbezeichnung .................................................................... 5 Seminararbeit Christoph Dietrich Seite 11 von 11
