Hubschrauber: Autorotation
Autorotation ist der Flugzustand, in dem die Hauptrotorscheibe eines Hubschraubers durch die Wirkung von Luft gedreht wird, die sich durch den Rotor nach oben bewegt, und nicht durch Motorkraft, die den Rotor antreibt. Beim normalen Motorflug wird Luft von oben in die Hauptrotorscheibe gesaugt und nach unten ausgestoßen, aber während der Autorotation strömt Luft von unten in die Rotorscheibe, wenn der Hubschrauber absteigt.
Die Autorotation wird mechanisch durch eine Freilaufeinheit ermöglicht, bei der es sich um einen speziellen Kupplungsmechanismus handelt, der es dem Hauptrotor ermöglicht, sich auch dann weiterzudrehen, wenn der Motor nicht läuft. Wenn der Motor ausfällt, trennt die Freilaufeinheit automatisch den Motor vom Hauptrotor, wodurch der Hauptrotor frei drehen kann. Es ist das Mittel, mit dem ein Hubschrauber im Falle eines Triebwerkausfalls sicher gelandet werden kann; Folglich, Alle Hubschrauber müssen diese Fähigkeit nachweisen, um zugelassen zu werden.
Wenn die Entscheidung getroffen wird, während des Fluges einen Motorneustart zu versuchen (die Parameter für dieses Notfallverfahren sind für jeden Hubschrauber unterschiedlich und müssen genau befolgt werden), muss der Pilot den Motorstartschalter erneut betätigen, um den Motor zu starten. Sobald der Motor gestartet ist, bringt die Freilaufeinheit den Motor wieder mit dem Hauptrotor in Eingriff.
Vertikale Autorotation
Die meisten Autorotationen werden mit Vorwärtsgeschwindigkeit ausgeführt. Der Einfachheit halber basiert die folgende aerodynamische Erklärung auf einem vertikalen autorotativen Sinkflug (keine Vorwärtsgeschwindigkeit) in ruhender Luft. Unter diesen Bedingungen sind die Kräfte, die die Schaufeln zum Drehen bringen, für alle Schaufeln ähnlich, unabhängig von ihrer Position in der Rotationsebene. Daher ist eine Auftriebsdissymmetrie, die sich aus der Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers ergibt, kein Faktor.
Während der vertikalen Autorotation wird die Rotorscheibe in drei Bereiche unterteilt (wie in Figur dargestellt): angetriebener Bereich, antreibender Bereich und Stall-Bereich. Abbildung zeigt drei Blattabschnitte, die Kraftvektoren veranschaulichen. Teil A ist der angetriebene Bereich, B und D sind Gleichgewichtspunkte, Teil C ist der Antriebsbereich und Teil E ist der Stall-Bereich. Die Kraftvektoren sind in jeder Region unterschiedlich, da der relative Rotationswind nahe der Blattwurzel langsamer ist und zur Blattspitze hin kontinuierlich zunimmt.
Außerdem ergibt die Blattverdrehung eine positivere AOA im Antriebsbereich als im angetriebenen Bereich. Die Kombination des Einströmens durch den Rotor nach oben mit dem relativen Rotationswind erzeugt an jedem Punkt entlang des Blattes unterschiedliche Kombinationen aerodynamischer Kräfte.
Der angetriebene Bereich, auch Propellerbereich genannt, ist den Blattspitzen am nächsten. Normalerweise macht er etwa 30 Prozent des Radius aus. Im angetriebenen Bereich, Teil A der Abbildung, wirkt der TAF hinter der Rotationsachse, was zu einer Gesamtwiderstandskraft führt. Der angetriebene Bereich erzeugt einen gewissen Auftrieb, aber dieser Auftrieb wird durch den Luftwiderstand ausgeglichen.
Das Gesamtergebnis ist eine Verlangsamung der Rotation der Klinge. Die Größe dieses Bereichs variiert mit der Blattsteigung, der Sinkgeschwindigkeit und der Rotordrehzahl. Bei einer Änderung der autorotativen Drehzahl der Blattsteigung oder der Sinkgeschwindigkeit ändert sich auch die Größe des angetriebenen Bereichs im Verhältnis zu den anderen Bereichen.
Es gibt zwei Gleichgewichtspunkte auf dem Blatt – einen zwischen dem Antriebsbereich und dem Antriebsbereich und einen zwischen dem Antriebsbereich und dem Strömungsabrissbereich. An Gleichgewichtspunkten ist TAF mit der Rotationsachse ausgerichtet. Auftrieb und Luftwiderstand werden erzeugt, aber der Gesamteffekt erzeugt weder Beschleunigung noch Verzögerung.
Der Antriebsbereich oder autorotative Bereich liegt normalerweise zwischen 25 und 70 Prozent des Blattradius. Teil C der Abbildung zeigt den Antriebsbereich der Klinge, der die Kräfte erzeugt, die zum Drehen der Klingen während der Autorotation erforderlich sind. Die aerodynamische Gesamtkraft im Antriebsbereich ist gegenüber der Rotationsachse leicht nach vorne geneigt, wodurch eine kontinuierliche Beschleunigungskraft erzeugt wird. Diese Neigung liefert einen Schub, der dazu neigt, die Drehung der Klinge zu beschleunigen. Die Größe des Antriebsbereichs variiert mit der Einstellung der Blattsteigung, der Sinkgeschwindigkeit und der Rotordrehzahl.
Durch Steuern der Größe dieses Bereichs kann ein Pilot die autorotative Drehzahl einstellen. Wird beispielsweise der Pitch angehoben, vergrößert sich der Nickwinkel in allen Bereichen. Dies bewirkt, dass sich der Gleichgewichtspunkt entlang der Blattspannweite nach innen bewegt, wodurch die Größe des angetriebenen Bereichs erhöht wird. Der Stall-Bereich wird auch größer, während der Antriebsbereich kleiner wird. Das Reduzieren der Größe des Antriebsbereichs bewirkt, dass die Beschleunigungskraft des Antriebsbereichs und die Drehzahl sinken. Eine konstante Rotordrehzahl wird erreicht, indem die kollektive Steigung so eingestellt wird, dass die Blattbeschleunigungskräfte aus dem Antriebsbereich mit den Verzögerungskräften aus den Antriebs- und Strömungsabrissbereichen ausgeglichen sind.
Die inneren 25 Prozent des Rotorblatts werden als Stallregion bezeichnet und arbeiten oberhalb ihres maximalen AOA (Stallwinkels), was einen Luftwiderstand verursacht, der dazu neigt, die Rotation des Blatts zu verlangsamen. Teil E der Figur zeigt den Strömungsabrissbereich.
Autorotation (Vorwärtsflug)
Die autorotative Kraft im Vorwärtsflug wird auf genau die gleiche Weise erzeugt wie beim vertikalen Sinkflug des Hubschraubers in ruhender Luft. Da jedoch die Vorwärtsgeschwindigkeit den Luftstrom nach oben durch die Rotorscheibe ändert, bewegen sich alle drei Bereiche entlang der Schaufelspanne auf der zurückweichenden Seite der Scheibe nach außen, wo der AOA größer ist. Bei einem geringeren AOA auf dem vorrückenden Seitenblatt fällt mehr von dem Blatt in den angetriebenen Bereich. Auf der Rückzugsseite befindet sich mehr Blatt im Stallbereich. Ein kleiner Abschnitt in der Nähe der Wurzel erfährt eine umgekehrte Strömung; daher wird die Größe des angetriebenen Bereichs auf der Rückzugsseite verringert.
Vor der Landung aus einem autorotativen Sinkflug (oder Autorotation) muss der Pilot den Hubschrauber abfangen, um abzubremsen. Der Pilot leitet das Aufflackern ein, indem er nach hinten zyklisch anwendet. Wenn der Helikopter zurückfliegt, ändern sich die Luftströmungsmuster um die Rotorblätter herum, was zu einer Erhöhung der Drehzahl führt. Piloten müssen das Kollektiv nach Bedarf anpassen, um die Drehzahl innerhalb der Betriebsgrenzen zu halten.
