Einführung in den Hubschrauber

Ein Hubschrauber ist ein Luftfahrzeug, das von einem oder mehreren horizontalen Rotoren angehoben und angetrieben wird, wobei jeder Rotor aus zwei oder mehr Rotorblättern besteht. Hubschrauber werden als Drehflügler oder Drehflügelflugzeuge klassifiziert, um sie von Starrflügelflugzeugen zu unterscheiden, da der Hubschrauber seine Auftriebsquelle von den Rotorblättern ableitet, die sich um einen Mast drehen. Das Wort „Hubschrauber“ ist eine Adaption des französischen hélicoptère, das 1861 von Gustave de Ponton d'Amécourt geprägt wurde. Es ist mit den griechischen Wörtern helix/helikos („Spirale“ oder „drehend“) und pteron („Flügel“) verbunden.

Als Flugzeug liegen die Hauptvorteile des Hubschraubers in den Rotorblättern, die sich durch die Luft drehen und für Auftrieb sorgen, ohne dass sich das Flugzeug vorwärts bewegen muss. Dieser Auftrieb ermöglicht es dem Hubschrauber, in einem Bereich zu schweben und senkrecht zu starten und zu landen, ohne dass Landebahnen benötigt werden. Aus diesem Grund werden Helikopter häufig in überfüllten oder abgelegenen Gebieten eingesetzt, in denen Flächenflugzeuge nicht starten oder landen können. 

Das Steuern eines Helikopters erfordert eine angemessene, fokussierte und sicherheitsorientierte Ausbildung. Es erfordert auch ständige Aufmerksamkeit für die Maschine und die Betriebsumgebung. Der Pilot muss dreidimensional arbeiten und ständig beide Arme und Beine einsetzen, um den Helikopter in einem gewünschten Zustand zu halten. Koordination, Timing und Berührungssteuerung werden alle gleichzeitig beim Fliegen eines Hubschraubers verwendet.

Obwohl Hubschrauber während des ersten halben Jahrhunderts des Fluges entwickelt und gebaut wurden, erreichten einige sogar eine begrenzte Produktion; Erst 1942 erreichte ein von Igor Sikorsky entworfener Hubschrauber mit 131 gebauten Flugzeugen die Serienproduktion. Obwohl die meisten früheren Konstruktionen mehr als einen Hauptrotor verwendeten, war es der einzelne Hauptrotor mit einer Antitorque-Heckrotorkonfiguration, der weltweit als Hubschrauber anerkannt wurde.

Turbinenalter

1951 modifizierte Charles H. Kaman auf Drängen seiner Kontakte beim Department of the Navy seinen Hubschrauber K-225 mit einem neuartigen Motor, dem Turbowellenmotor. Diese Anpassung des Turbinentriebwerks verlieh dem Hubschrauber eine große Menge an Pferdestärken mit einem geringeren Gewichtsnachteil als Kolbenmotoren, schwere Motorblöcke und Hilfskomponenten. Am 11. Dezember 1951 wurde die K-225 der erste Hubschrauber mit Turbinenantrieb der Welt. Zwei Jahre später, am 26. März 1954, flog ein modifizierter Navy HTK-1, ein weiterer Kaman-Hubschrauber, als erster Hubschrauber mit zwei Turbinen. Es war jedoch die Sud Aviation Alouette II, die der erste Hubschrauber wurde, der mit einem Turbinentriebwerk hergestellt wurde.

Zuverlässige Hubschrauber, die einen stabilen Schwebeflug ermöglichen, wurden Jahrzehnte nach Starrflüglern entwickelt. Dies ist größtenteils auf höhere Anforderungen an die Triebwerksleistungsdichte als bei Starrflügelflugzeugen zurückzuführen. Verbesserungen bei Kraftstoffen und Motoren in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren entscheidende Faktoren bei der Entwicklung von Hubschraubern. Die Verfügbarkeit von leichten Turbowellenmotoren in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts führte zur Entwicklung größerer, schnellerer und leistungsstärkerer Hubschrauber. Während kleinere und billigere Hubschrauber immer noch Kolbenmotoren verwenden, sind Turbowellenmotoren heute das bevorzugte Triebwerk für Hubschrauber.

Der Turbinenmotor hat gegenüber einem Hubkolbenmotor folgende Vorteile: 

• Weniger Vibrationen 

• Erhöhte Flugzeugleistung 

• Verlässlichkeit 

• Einfache Bedienung 

Verwendet 

Aufgrund der einzigartigen Betriebseigenschaften des Hubschraubers – seine Fähigkeit, vertikal zu starten und zu landen, längere Zeit zu schweben und die Flugeigenschaften des Flugzeugs bei niedriger Fluggeschwindigkeit – wurde er für Aufgaben ausgewählt, die zuvor nicht möglich waren anderen Flugzeugen oder waren zu zeit- oder arbeitsintensiv, um sie am Boden durchzuführen. Heutzutage werden Hubschrauber für Transport, Bau, Brandbekämpfung, Suche und Rettung sowie für eine Vielzahl anderer Aufgaben eingesetzt, die ihre besonderen Fähigkeiten erfordern. 

Rotorsystem

Das Hubschrauberrotorsystem ist der rotierende Teil eines Hubschraubers, der Auftrieb erzeugt. Ein Rotorsystem kann wie Hauptrotoren horizontal montiert werden und vertikalen Auftrieb bieten. und es kann vertikal montiert werden, wie z. B. ein Heckrotor, um einen horizontalen Auftrieb als Schub bereitzustellen, um dem Drehmomenteffekt entgegenzuwirken. Bei Kipprotoren ist der Rotor auf einer Gondel montiert, die sich am Rand des Flügels dreht, um den Rotor von einer horizontal montierten Position, die horizontalen Auftrieb als Schub liefert, in eine vertikal montierte Position zu überführen, die genau wie ein Hubschrauber Auftrieb bietet.

Der Rotor besteht aus Mast, Nabe und Rotorblättern. Der Mast ist eine hohle zylindrische Metallwelle, die sich von dem Getriebe nach oben erstreckt und von diesem angetrieben wird. An der Spitze des Mastes befindet sich der Befestigungspunkt für die Rotorblätter, der Nabe genannt wird. Die Rotorblätter werden dann durch verschiedene Verfahren an der Nabe befestigt. Hauptrotorsysteme werden danach klassifiziert, wie die Hauptrotorblätter befestigt sind und sich relativ zur Hauptrotornabe bewegen. Es gibt drei grundlegende Klassifikationen: halbstarr, starr oder voll gelenkig, obwohl einige moderne Rotorsysteme eine technische Kombination dieser Typen verwenden. 

Bei einem Helikopter mit einem Hauptrotor wird ein Drehmomenteffekt erzeugt, wenn der Motor den Rotor dreht. Dieses Drehmoment bewirkt, dass sich der Körper des Hubschraubers in die entgegengesetzte Richtung des Rotors dreht (Newtons drittes Gesetz: Jede Aktion hat eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion, wie in Kapitel erklärt. Um diesen Effekt zu eliminieren, muss eine Art Gegendrehmomentsteuerung verwendet werden mit ein ausreichender Leistungsspielraum, um dem Helikopter zu ermöglichen, seinen Steuerkurs beizubehalten und zu verhindern, dass sich das Flugzeug instabil bewegt Die drei heute am häufigsten verwendeten Steuerungen sind der herkömmliche Heckrotor, Fenestron (auch Fantail genannt) und NOTAR®

Rotorkonfigurationen 

Die meisten Hubschrauber haben einen einzigen Hauptrotor, benötigen aber einen separaten Rotor, um das Drehmoment zu überwinden, das eine Dreh- oder Verdrehungskraft ist. Dies wird durch einen Antitorque-Rotor oder Heckrotor mit variabler Steigung erreicht. Dies ist das Design, auf das sich Igor Sikorsky für seinen in Abbildung gezeigten VS-300-Hubschrauber festgelegt hat. Es ist zur anerkannten Konvention für das Design von Hubschraubern geworden, obwohl die Designs variieren. Hubschrauber-Hauptrotordesigns von verschiedenen Herstellern drehen sich in eine von zwei verschiedenen Richtungen (von oben gesehen im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn). Dies kann es verwirrend machen, wenn aerodynamische Auswirkungen auf den Hauptrotor zwischen verschiedenen Konstruktionen diskutiert werden, da sich die Auswirkungen auf gegenüberliegenden Seiten jedes Flugzeugs manifestieren können. Zur Verdeutlichung verwenden alle Beispiele in diesem Handbuch von oben betrachtet ein sich gegen den Uhrzeigersinn drehendes Hauptrotorsystem.

Tandemrotor 

Hubschrauber mit Tandemrotor (manchmal auch als Doppelrotor bezeichnet) haben zwei große horizontale Rotorbaugruppen anstelle einer Hauptbaugruppe und eines kleineren Heckrotors. Einrotor-Hubschrauber benötigen einen Heckrotor, um das vom einzelnen großen Rotor erzeugte Drehmoment zu neutralisieren. Tandemrotorhubschrauber verwenden jedoch gegenläufig rotierende Rotoren, die jeweils das Drehmoment des anderen aufheben. Gegenläufige Rotorblätter werden nicht miteinander kollidieren und sich gegenseitig zerstören, wenn sie sich in die Bahn des anderen Rotors biegen. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass mit kürzeren Klingen mehr Gewicht gehalten werden kann, da zwei Klingensätze vorhanden sind. Außerdem kann die gesamte Leistung der Motoren für den Auftrieb verwendet werden, während ein Hubschrauber mit einem Rotor etwas Leistung aufwenden muss, um dem Drehmoment des Hauptrotors entgegenzuwirken. Aus diesem Grund,

Koaxialrotoren 

Koaxialrotoren sind ein Paar Rotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, aber auf einem Mast mit der gleichen Drehachse übereinander montiert sind. Diese Konfiguration ist ein bekanntes Merkmal von Hubschraubern, die vom russischen Konstruktionsbüro für Hubschrauber Kamov hergestellt werden.

Ineinandergreifende Rotoren 

Ineinandergreifende Rotoren an einem Hubschrauber sind ein Satz von zwei Rotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, wobei jeder Rotormast mit einem leichten Winkel zum anderen am Hubschrauber montiert ist, so dass die Blätter ohne Kollision ineinandergreifen. Diese Anordnung ermöglicht es dem Hubschrauber, ohne die Notwendigkeit eines Heckrotors zu funktionieren. Es hat eine hohe Stabilität und eine starke Hebefähigkeit. Diese Konfiguration wird manchmal als Synchropter bezeichnet. Die Anordnung wurde in Deutschland für einen kleinen U-Boot-Abwehrhubschrauber, den Flettner Fl 282 Kolibri, entwickelt. Während des Kalten Krieges produzierte die amerikanische Kaman Aircraft Company die HH-43 Huskie für die Brandbekämpfung der USAF. Das neueste Kaman K-MAX-Modell ist ein spezielles Sky-Cran-Design, das für Bauarbeiten verwendet wird.

Heckrotor 

Der Heckrotor ist ein kleinerer Rotor, der vertikal oder nahezu vertikal am Heck eines herkömmlichen Hubschraubers mit einem Rotor montiert ist. Der Heckrotor drückt oder zieht gegen das Heck, um dem Drehmoment entgegenzuwirken. Das Heckrotorantriebssystem besteht aus einer vom Hauptgetriebe angetriebenen Antriebswelle und einem am Ende des Heckauslegers montierten Getriebe. Die Antriebswelle kann aus einer langen Welle oder einer Reihe kürzerer Wellen bestehen, die an beiden Enden mit flexiblen Kupplungen verbunden sind. Die flexiblen Kupplungen ermöglichen es der Antriebswelle, sich mit dem Heckausleger zu biegen.

Das Getriebe am Ende des Heckauslegers bietet einen abgewinkelten Antrieb für den Heckrotor und kann auch ein Getriebe enthalten, um die Leistung auf die optimale Drehzahl einzustellen, die typischerweise in Umdrehungen pro Minute (U / min) für den Heckrotor gemessen wird. Bei einigen größeren Hubschraubern werden Zwischengetriebe verwendet, um die Heckrotorantriebswelle entlang des Heckauslegers oder Heckkegels zur Spitze des Heckrotormasts anzuwinkeln, der auch als vertikales Stabilisierungstragflächenprofil dient, um den Leistungsbedarf für den Heckrotor zu verringern Vorwärtsflug. Der Pylon (oder das vertikale Seitenleitwerk) kann innerhalb bestimmter Fluggeschwindigkeitsbereiche auch ein begrenztes Gegendrehmoment bereitstellen, wenn der Heckrotor oder die Heckrotor-Flugsteuerung ausfallen.

Flug steuern

Zyklisch

Die zyklische Steuerung befindet sich normalerweise zwischen den Beinen des Piloten und wird allgemein als „zyklischer Steuerknüppel“ oder einfach „zyklisch“ bezeichnet. Bei den meisten Hubschraubern ähnelt der zyklische Steuerknüppel einem Joystick; Robinson-Hubschrauber verfügen jedoch über einzigartige zyklische T-Bar-Steuerungssysteme. Einige Hubschrauber haben zyklische Steuerungen, die von oben in das Cockpit absteigen, während andere seitliche zyklische Steuerungen verwenden.

Die Steuerung wird zyklisch genannt, weil sie die Steigung der Rotorblätter während jeder Umdrehung des Hauptrotorsystems (dh durch jeden Rotationszyklus) verändern kann, um einen ungleichen Auftrieb (Schub) zu entwickeln. Das Ergebnis ist eine Neigung der Rotorscheibe in eine bestimmte Richtung, was dazu führt, dass sich der Hubschrauber in diese Richtung bewegt. Drückt der Pilot den Cyclic nach vorne, kippt die Rotorscheibe nach vorne und der Rotor erzeugt einen Schub in Vorwärtsrichtung. Wenn der Pilot den Cyclic zur Seite drückt, neigt sich die Rotorscheibe zu dieser Seite und erzeugt Schub in diese Richtung, wodurch der Hubschrauber seitwärts schwebt.

Kollektiv

Antitorque-Pedale

Gaspedal

Hubschrauberrotoren sind für den Betrieb mit einer bestimmten Drehzahl ausgelegt. Die Drossel steuert die vom Motor erzeugte Leistung, die über ein Getriebe mit dem Rotor verbunden ist. Der Zweck des Gashebels besteht darin, genügend Motorleistung aufrechtzuerhalten, um die Rotordrehzahl innerhalb zulässiger Grenzen zu halten, um genügend Auftrieb für den Flug zu erzeugen. Bei einmotorigen Hubschraubern ist die Drosselklappensteuerung, falls vorhanden, typischerweise ein Drehgriff, der an der kollektiven Steuerung montiert ist, aber es kann auch ein Hebelmechanismus in vollständig geregelten Systemen sein. Mehrmotorige Hubschrauber haben im Allgemeinen einen Leistungshebel oder Modusschalter für jeden Motor.

Flugbedingungen

Es gibt zwei grundlegende Flugzustände für einen Hubschrauber: Schwebeflug und Vorwärtsflug. Das Schweben ist der schwierigste Teil beim Fliegen eines Hubschraubers. Dies liegt daran, dass ein Hubschrauber im Schwebeflug seine eigene böige Luft erzeugt, die gegen den Rumpf und die Flugsteuerflächen wirkt. Das Endergebnis ist die Notwendigkeit ständiger Steuereingaben und Korrekturen durch den Piloten, um den Hubschrauber dort zu halten, wo er sein soll. Trotz der Komplexität der Aufgabe sind die Steuereingaben in einem Hover einfach. Der zyklische wird verwendet, um Drift in der horizontalen Richtung zu eliminieren, dh vorwärts und rückwärts, rechts und links zu steuern. Das Kollektiv wird verwendet, um die Höhe zu halten. Die Pedale werden verwendet, um die Richtung oder den Kurs der Nase zu steuern. Es ist das Zusammenspiel dieser Bedienelemente, das das Schweben so schwierig macht, 

Das Verschieben des zyklischen Vorwärts bewirkt zunächst, dass sich die Nase nach unten neigt, was zu einer Erhöhung der Fluggeschwindigkeit und einem Höhenverlust führt. Achternzyklisch bewirkt zunächst, dass sich die Nase aufrichtet, wodurch der Hubschrauber verlangsamt und zum Steigen gebracht wird. Wenn der Hubschrauber jedoch einen Gleichgewichtszustand erreicht, hilft der horizontale Stabilisator, den Hubschrauber zu nivellieren, um den Luftwiderstand zu minimieren, im Gegensatz zu einem Flugzeug. Daher weist der Hubschrauber eine sehr geringe Nickauslenkung nach oben oder unten auf, wenn der Hubschrauber in einem Flugmodus stabil ist. Die Abweichung von der absoluten Horizontallage hängt vom jeweiligen Hubschrauber und der horizontalen Stabilisatorfunktion ab.

Eine Erhöhung des Kollektivs (Leistung) bei gleichbleibender Fluggeschwindigkeit führt zu einem Steigflug, während eine Verringerung des Kollektivs einen Sinkflug bewirkt. Das Koordinieren dieser beiden Eingaben, kollektiv nach unten plus zyklisch nach hinten oder kollektiv nach oben plus zyklisch nach vorne, führt zu Fluggeschwindigkeitsänderungen, während eine konstante Höhe beibehalten wird.

Die Pedale dienen sowohl in einem Hubschrauber als auch in einem Starrflügelflugzeug der gleichen Funktion, um einen ausgeglichenen Flug aufrechtzuerhalten. Dies geschieht durch Anlegen einer Pedaleingabe in die Richtung, die erforderlich ist, um die Kugel im Wende- und Querneigungsanzeiger zu zentrieren.