Hubschraubersteuerung

Die Steuerung von Hubschraubern
Der Hubschrauber wird durch drei Elemente gesteuert:
1.
2.
3.
Blattverstellhebel (Pitch)
Steuerknüppel (Stick)
Pedale
1. Der Pitch
Mit ihm wird der Anstellwinkel aller Rotorblätter gleichzeitig verändert (kollektive Blattverstellung). Dadurch wird der Auftrieb des
ganzen Hubschraubers vergrößert oder verkleinert.
Durch Ziehen des Hebels wird der Anstellwinkel und damit der Auftrieb erhöht, durch Drücken verringert.
Die Bewegungen des Pitch werden über ein Steuergestänge zum Rotor hin übertragen. Doch wie geschieht die Übertragung der
Bewegung von dem festen Teil des Hubschraubers (der Zelle) auf den drehenden Teil (den Rotor)? Hierfür ist die sogenannte
Taumelscheibe zuständig, ein großes Rollenlager, das schieb- und kippbar (kardanisch) um den Rotormast herum angebracht ist. Der
innere Ring des Rollenlagers ist mit dem Gestänge der Zelle verbunden, der äußere mit dem Mitnehmer und den kleinen
Steuerstangen des Rotors
Wird jetzt der Pitch bewegt, so wird die gesamte Taumelscheibe entlang des Rotormastes nach oben oder unten geschoben und so
der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert und der Hubschrauber steigt oder sinkt.
2. Der Stick
Mit ihm wird die Rotorkreisfläche nach jeweils einer Seite "gekippt", so daß ein Vorwärts-, Rückwärts- und Seitwärtsfliegen möglich
ist. Dies darf man sich jetzt aber nicht so vorstellen, daß dafür der Rotormast oder der Rotorkopf gekippt wird, sondern dies
geschieht auf aerodynamischem Wege, indem die einzelnen Rotorblätter verschiedene Anstellwinkel erhalten. Beim Vorwärtsflug
z.B. hat das jeweils nach vorne drehende Blatt einen geringen Anstellwinkel, also auch geringen Auftrieb. Das nach hinten laufende
Blatt erhält einen hohen Anstellwinkel, somit hohen Auftrieb. Dadurch läuft es auch in einer wesentlich höheren Kreisebene als das
vordere Blatt und es ergibt sich eine nach vorne geneigte Rotorkreisfläche. Jedes einzelne Blatt erhält also im Laufe einer
kompletten Umdrehung einmal einen hohen und einen niedrigen Anstellwinkel. Dieses dauernde Verstellen geschieht ebenfalls
über die Taumelscheibe. Hierfür wird sie durch die zellenseitigen Steuerstangen (ausgelöst durch eine Bewegung am Stick) nach
einer Seite gekippt. Dieses Kippen überträgt sich auf die kurzen Steuerstangen des Rotors und verändert den Anstellwinkel der
Blätter.
3. Die Pedale
Die Pedale steuern den Anstellwinkel des Heckrotors. Dieser dient ja ursächlich dem Ausgleich des Drehmoments, das von den
Triebwerken erzeugt wird. Dies ist bei mittlerer Leistungsabgabe etwa in Neutralstellung des Heckrotors gegeben. Vermindere ich
nun den (nach der Seite gerichteten) Auftrieb der Heckrotorblätter, so reicht er nicht aus, um das Drehmoment auszugleichen und
der Hubschrauber wird sich um seine Hochachse drehen. Erhöhe ich den Auftrieb mehr als erforderlich, so dreht der Hubschrauber
in entgegengesetzter Richtung um die Hochachse.
Auch hier erfolgt die Übertragung der Steuereingaben aus dem Zellenbereich in den drehenden Teil des Heckrotors über ein
Rollenlager, durch das der Heckrotormast geführt ist. Da hier jedoch nur eine kollektive Ansteuerung der Blätter erforderlich ist und
kein periodisches Abkippen, handelt es sich hier nicht um eine kardanisch aufgehängte Taumelscheibe, sondern nur um eine
Schiebehülse.
Die besondere aerodynamische Problematik des Hubschraubers
1. Rotorblatt – Geschwindigkeit
Nehmen wir mal die Tragfläche eines normalen Flugzeugs, das mit 200 km/h fliegt (einfach als Beispiel). Aus dieser Geschwindigkeit
berechnet sich auch der Luftwiderstand (im Quadrat zur Geschwindigkeit), der von den Triebwerken überwunden werden muss.
Beim Hubschrauber drehen sich die Tragflächen aber um den Rotormast selbst schon mit einer Geschwindigkeit (an den
Blattspitzen) von ca. 800 km/h.
Dazu kommt die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers von 200 km/h, das macht zusammen 1000 km/h, also knapp
unterhalb der Schallgeschwindigkeit. Und dafür braucht man eben viel mehr Leistung, als das bei einem Flächenflugzeug der Fall ist.
Als erschwerend kommt dazu, dass die Rotorblätter bei der obengenannten Geschwindigkeit etwa vierhundertmal pro Minute von
1000 km/h auf 600 km/h wechseln, was eine wahnsinnige Belastung darstellt. Wieso?? Ganz einfach: jedes Rotorblatt hat, wie
gesagt, eine Umdrehungsgeschwindigkeit von ca. 800 km/h an der Blattspitze.
Nun betrachten wir es auf der Seite, an der es nach vorne läuft. Hier addiert sich die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers
zur Eigenbewegung des Rotorblattes.
Kurze Zeit später befindet sich das Blatt auf der anderen Seite und bewegt sich nach hinten. Also: 800 km/h minus die
Vorwärtsbewegung des Hubschraubers (200 km/h), also 600 km/h.
Und das, wie gesagt, ca. 400 mal in der Minute!!! Man muss sich vorstellen: sieben mal pro Sekunde von 600 km/h auf 1000 km/h
und zurück auf 600 km/h !!!
Demgegenüber eben ein Flächenflugzeug, bei dem die Luftströmung stetig bei 200 km/h anliegt - oder eben eine Linienmaschine,
die stetig mit 900 km/h fliegt.
Für den Hubschrauber eine zumindest heutzutage unerreichbare Geschwindigkeit wegen der Problematik der Schallgrenze, die von
den Rotorblättern 400mal in der Minute über- und unterschritten würde!
Aus diesem Grunde gibt es auch die Überlegungen, Verwandlungshubschrauber zu bauen, die mit Rotoren einen Schwebeflug
durchführen können, aber im Vorwärtsflug Tragflächen benutzen.
2. Biegemomente – Schwenk- und Schlaggelenke
Während beim stehenden Rotor die Blätter durch das Eigengewicht etwas nach unten hängen, liegen die Blattspitzen bei drehenden
Rotor (ohne Belastung) durch die Fliehkraft (an jedem Blatt zieht die Fliehkraft mit einer Energie von 15 bis 20 Tonnen nach außen!)
in einer Ebene mit dem Rotorkopf (dem Zentralstück des Rotors)
Zieht man am Pitch, biegen sich durch den zunehmenden Auftrieb die Blätter nach oben, die Kreisfläche, die durch die drehenden
Blattspitzen gebildet wird, liegt oberhalb des Rotorkopfes
Geht jetzt der Hubschrauber in den Vorwärtsflug, so kommt ja die obengenannte Geschwindigkeitsverteilung auf die Blätter hinzu.
Dadurch ergibt sich jedoch noch ein weiterer Effekt: höhere Geschwindigkeit eines Blattes durch die umgebende Luft bedeutet auch
höheren Auftrieb (und umgekehrt). Das bedeutet, dass das vorlaufende Blatt in einer höheren Ebene läuft, als das rücklaufende. Die
gesamte Rotorkreisfläche kippt also etwas nach der Seite.
Dass kein Rotorblatt diese Belastungen auf Dauer aushielt, mussten die Erfinder in den Anfangsstadien der Hubschrauberfliegerei
oft schmerzlichst erfahren. Andauernd zerlegten sich ihre Hubschrauber aufgrund der Unwucht, die ein abgerissenes Rotorblatt mit
sich brachte. Es dauerte eine ganze Zeit, bis man hinter die Ursache der Brüche kam. Als man das dann endlich erkannt hatte, baute
man zwischen Rotorblatt und Rotorkopf ein Gelenk ein, das bis zu einem gewissen Winkel ein Bewegen des Blattes nach oben und
unten zuließ - das Schlaggelenk. Ein großes Problem war damit behoben, jedoch nicht das letzte.
(Wer jetzt übrigens meint, durch diese Schlaggelenke würden sich die Rotorblätter im Flug ja einfach nach oben "zusammenfalten",
der irrt, denn dem wirkt die hohe Fliehkraft ja nach wie vor entgegen)
Das nächste Problem, das sich den Entwicklern stellte, war noch etwas komplizierter, und hat mit der "Corioliskraft" zu tun. Das
Gesetz dieser Kraft besagt, daß ein Masseteil, das in eine Umdrehung um einen entfernten Mittelpunkt versetzt worden ist,
versucht, seine Geschwindigkeit auch beizubehalten, wenn sich die Entfernung des Teils zum Drehmittelpunkt ändert. Bei
Annäherung an den Mittelpunkt wird daher die Drehgeschwindigkeit erhöht, bei Entfernung erniedrigt.
Nicht kapiert? Ein typisches Beispiel dafür ist ein Schlittschuhläufer, der eine Pirouette macht. Er beginnt diese mit ausgestreckten
Armen und dreht sich verhältnismäßig langsam. Nun nimmt er die Arme an den Körper, verkleinert also den Drehkreis und dreht
sich deswegen plötzlich viel schneller, ohne daß er noch einmal Schwung genommen hätte.
Nehmen wir hier vier Punkte (rot) an einem Rotorblatt an. Einer liegt ganz außen, einer weit innen, die anderen
beiden dazwischen. Alle vier bewegen sich um einen gleich großen Sektor um den Rotormittelpunkt herum. Dafür
muss aber der äußere einen wesentlich weiteren Weg zurücklegen, als die anderen, muss also eine wesentlich
höhere Geschwindigkeit haben. Würde man diesen Punkt weiter nach innen verlagern, wäre er bestrebt, seine
Geschwindigkeit beizubehalten und sich dadurch über einen größeren Sektor bewegen (blaue Linie).
Was aber hat das mit unserer Rotorkreisfläche zu tun? Ein Rotorblatt verkürzt sich doch nicht! Richtig. Aber der Abstand zur
Drehachse ändert sich doch! Und zwar durch das Hochschlagen des Blattes. Man sieht auf der nebenstehenden Zeichnung, daß der
Abstand zur Drehachse immer geringer wird, je höher das Blatt nach oben schlägt, und immer weiter, je waagerechter das Blatt
läuft.
Und das wiederum hat zur Folge, daß das vorlaufende Blatt, das wegen des erhöhten Auftriebes nach oben schlägt (und dessen
Blattspitze dadurch näher an die Drehachse kommt) seine Geschwindigkeit beibehalten will und dadurch nach vorne schwenkt, bis
es seine Geschwindigkeit angepasst hat. Nun kommt es aber auch schon wieder in den rücklaufenden Bereich, der Auftrieb nimmt
ab, das Blatt läuft tiefer und schwenkt nach hinten.
Das war die nächste Hürde, die es für die Entwickler erst mal galt, zu erkennen und zu lösen. Die Lösung erfolgte durch ein
Schwenkgelenk, das senkrecht zum Schlaggelenk angebracht wurde. Die Rotorblätter waren nun also praktisch kardanisch
aufgehängt, und die Hubschrauber- Fliegerei funktionierte nun endlich (und zwar mit der Focke-Wulf FW 61, dem ersten wirklich
betriebsfähigen Hubschrauber der Welt).
Nun hatte in den 60er Jahren die Fa. MBB eine großartige Erfindung gemacht: den gelenklosen Rotor, mit dem die Bo105 berühmt
wurde.
Wie geht das denn nun? Eben hieß es noch, ohne Schlag- und Schwenkgelenke ist kein Hubschrauberfliegen möglich, und jetzt
plötzlich doch???
Das liegt einfach an den moderneren Materialien. Während früher starre Holz- und Metallrotorblätter gebaut wurden, konnte man
diese nun aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) bauen, die elastischer sind, und diese Schlag- und Schwenkbewegungen durch
eine Verwindung des Materials ermöglichen.