Hubschrauber: Flugsteuerung

Es gibt drei Hauptsteuerungen in einem Hubschrauber, die der Pilot während des Fluges verwenden muss. Dies sind die kollektive Pitchsteuerung, die zyklische Pitchsteuerung und die Antitorque-Pedale oder die Heckrotorsteuerung. Zusätzlich zu diesen wichtigen Bedienelementen muss der Pilot zum Fliegen des Hubschraubers auch den Gashebel verwenden, der normalerweise direkt an der Pitch-Steuerung angebracht ist.

Kollektive Pitch-Steuerung

Die Pitchsteuerung (oder einfach „Collective“ oder „Schubhebel“) befindet sich auf der linken Seite des Pilotensitzes und wird mit der linken Hand bedient. Das Kollektiv wird verwendet, um Änderungen am Anstellwinkel der Hauptrotorblätter vorzunehmen, und tut dies gleichzeitig oder kollektiv, wie der Name schon sagt. Beim Anheben der Pitchregelung erfolgt eine gleichzeitige und gleichmäßige Erhöhung des Pitchwinkels aller Hauptrotorblätter; wenn es abgesenkt wird, gibt es eine gleichzeitige und gleiche Abnahme des Neigungswinkels. Dies erfolgt über eine Reihe mechanischer Verbindungen, und der Bewegungsbetrag des kollektiven Hebels bestimmt den Betrag der Änderung der Blattsteigung. Eine einstellbare Friktionskontrolle hilft, unbeabsichtigte kollektive Pitchbewegungen zu verhindern.

Das Ändern des Anstellwinkels an den Schaufeln ändert den Einfallswinkel an jeder Schaufel. Mit einer Änderung des Anstellwinkels geht eine Änderung des Widerstands einher, die sich auf die Geschwindigkeit oder Umdrehungen pro Minute (U/min) des Hauptrotors auswirkt. Wenn der Anstellwinkel zunimmt, nimmt der Einfallswinkel zu, der Luftwiderstand nimmt zu und die Rotordrehzahl nimmt ab. Eine Verringerung des Anstellwinkels verringert sowohl den Anstellwinkel als auch den Luftwiderstand, während die Rotordrehzahl zunimmt. Um eine konstante Rotordrehzahl aufrechtzuerhalten, was im Hubschrauberbetrieb unerlässlich ist, ist eine proportionale Leistungsänderung erforderlich, um die Änderung des Luftwiderstands zu kompensieren. Dies wird mit der Drosselklappensteuerung oder dem Drehzahlregler erreicht, der die Motorleistung automatisch anpasst.

Drosselklappensteuerung

Die Funktion der Drosselklappe besteht darin, die Motordrehzahl zu regulieren. Wenn das Korrelator- oder Reglersystem beim Anheben oder Absenken des Kollektivs nicht die gewünschte Drehzahl hält oder wenn diese Systeme nicht installiert sind, muss der Gashebel manuell mit dem Drehgriff bewegt werden, um die Drehzahl beizubehalten. Bei den meisten Helikoptern erhöht das Drehen des Gasdrehgriffs vom Piloten weg (gegen den Uhrzeigersinn) die Motordrehzahl; Durch Drehen des Gasdrehgriffs in Richtung des Piloten (im Uhrzeigersinn) wird die Motordrehzahl verringert.

Gouverneur/Korrelator 

Ein Regler ist ein Sensorgerät, das die Rotor- und Motordrehzahl erfasst und die erforderlichen Anpassungen vornimmt, um die Rotordrehzahl konstant zu halten. Im Normalbetrieb hält der Drehzahlregler die Drehzahl konstant, sobald die Rotordrehzahl eingestellt ist, und es besteht keine Notwendigkeit, Drosselklappeneinstellungen vorzunehmen. Regler sind bei allen Turbinenhubschraubern üblich (da sie eine Funktion des Kraftstoffsteuersystems des Turbinentriebwerks sind) und werden bei einigen kolbengetriebenen Hubschraubern verwendet.

Ein Korrelator ist eine mechanische Verbindung zwischen dem Sammelhebel und der Motordrossel. Beim Anheben des Kollektivhebels wird die Leistung automatisch erhöht; beim Absenken wird die Leistung verringert. Dieses System hält die Drehzahl nahe dem gewünschten Wert, erfordert aber dennoch eine Anpassung der Drosselklappe zur Feinabstimmung.

Einige Hubschrauber haben keine Korrelatoren oder Regler und erfordern eine Koordination aller Kollektiv- und Gasbewegungen. Wenn das Kollektiv angehoben wird, muss das Gas erhöht werden; Beim Absenken des Kollektivs muss das Gas zurückgenommen werden. Wie bei jeder Flugzeugsteuerung sollten große Anpassungen von Pitch oder Gas vermieden werden. Alle Korrekturen sollten durch sanften Druck vorgenommen werden.

Bei Kolbenhubschraubern ist die kollektive Steigung die primäre Steuerung für den Ladedruck, und die Drosselklappe ist die primäre Steuerung für die Drehzahl. Aber auch die Pitchregelung beeinflusst die Drehzahl und die Drosselklappe auch den Saugrohrdruck; daher wird jeder als sekundäre Kontrolle der Funktion des anderen angesehen. Sowohl der Drehzahlmesser (Drehzahlanzeige) als auch das Ladedruckmanometer müssen analysiert werden, um zu bestimmen, welche Steuerung zu verwenden ist. Abbildung veranschaulicht diese Beziehung.

Zyklische Tonhöhensteuerung 

Die zyklische Pitch-Steuerung (oder einfach „zyklisch“) wird normalerweise vom Cockpitboden nach oben projiziert, zwischen den Beinen des Piloten oder bei einigen Modellen zwischen den beiden Pilotensitzen. Diese primäre Flugsteuerung ermöglicht es dem Piloten, den Hubschrauber in jede Fahrtrichtung zu fliegen: vorwärts, rückwärts, links und rechts, Aerodynamik des Fluges, die gesamte Auftriebskraft ist immer senkrecht zur Spitzenwegebene des Hauptrotors. Der Zweck der zyklischen Nicksteuerung besteht darin, die Kopfbahnebene in Richtung der gewünschten horizontalen Richtung zu neigen. Der Zykliker steuert die Neigung der Rotorscheibe gegenüber dem Horizont, wodurch der Schub der Rotorscheibe so gesteuert wird, dass der Pilot die Fahrtrichtung des Hubschraubers steuern kann.

Die Rotorscheibe neigt sich in die gleiche Richtung, in der die zyklische Pitch-Steuerung bewegt wird. Wird der Kreisel nach vorne bewegt, kippt die Rotorscheibe nach vorne; Wenn der Kreisel nach hinten bewegt wird, kippt die Scheibe nach hinten und so weiter. Da die Rotorscheibe wie ein Kreisel wirkt, sind die mechanischen Anlenkungen für die zyklischen Steuerstangen so eingestellt, dass sie den Anstellwinkel des Rotorblatts um etwa 90° verringern, bevor es die Richtung der zyklischen Verschiebung erreicht, und den Anstellwinkel von vergrößern das Rotorblatt ca. 90° nach Passieren der Versatzrichtung. Eine Erhöhung des Neigungswinkels erhöht die AOA; eine Verringerung des Neigungswinkels verringert die AOA. Wenn zum Beispiel der Kreisel nach vorne bewegt wird, nimmt der AOA ab, wenn das Rotorblatt die rechte Seite des Hubschraubers passiert, und nimmt auf der linken Seite zu.

Antitorque-Pedale

Die Antitorque-Pedale, die sich auf dem Kabinenboden bei den Füßen des Piloten befinden, steuern die Steigung und damit den Schub der Heckrotorblätter oder anderer Antitorque-Systeme, Hubschrauberkomponenten, Sektionen und Systeme, um diese anderen Systeme zu diskutieren. Allgemeine Aerodynamik, die besagt, dass es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion gibt. Dieses Gesetz gilt für den Hubschrauberrumpf und seine Drehung in die entgegengesetzte Richtung der Hauptrotorblätter, sofern nicht entgegengewirkt und kontrolliert wird. Um den Flug zu ermöglichen und dieses Drehmoment zu kompensieren, enthalten die meisten Hubschrauberkonstruktionen einen Gegendrehmomentrotor oder einen Heckrotor. Die Antitorque-Pedale ermöglichen es dem Piloten, den Anstellwinkel der Heckrotorblätter zu steuern, was den Hubschrauber im Vorwärtsflug in Längstrimmung versetzt und es dem Piloten ermöglicht, den Hubschrauber im Schwebeflug um 360° zu drehen.

Kurssteuerung

Der Heckrotor wird verwendet, um den Steuerkurs des Hubschraubers im Schwebeflug oder bei schwebenden Kurven zu steuern und dem Drehmoment des Hauptrotors entgegenzuwirken. Schwebende Kurven werden allgemein als "Pedalkurven" bezeichnet. 

Bei Geschwindigkeiten über dem Translationshub werden die Pedale verwendet, um das Drehmoment zu kompensieren, um den Hubschrauber in Längstrimmung zu versetzen, sodass ein koordinierter Flug aufrechterhalten werden kann. Die zyklische Steuerung wird verwendet, um den Kurs zu ändern, indem man in die gewünschte Richtung abbiegt.

Der Schub des Heckrotors hängt vom Anstellwinkel der Heckrotorblätter ab. Dieser Steigungswinkel kann positiv, negativ oder null sein. Ein positiver Nickwinkel neigt dazu, das Heck nach rechts zu bewegen. Ein negativer Nickwinkel bewegt das Heck nach links, während bei einem Nickwinkel von Null kein Schub erzeugt wird. Der maximale positive Anstellwinkel des Heckrotors ist im Allgemeinen größer als der maximal verfügbare negative Anstellwinkel. Denn der Hauptzweck des Heckrotors besteht darin, dem Drehmoment des Hauptrotors entgegenzuwirken. Die Fähigkeit für Heckrotoren, Schub nach links (negativer Nickwinkel) zu erzeugen, ist notwendig, da der Widerstand des Getriebes während der Autorotation dazu neigt, die Nase nach links oder in die gleiche Richtung zu drehen, in die sich der Hauptrotor dreht.

Aus der neutralen Position bewirkt das Betätigen des rechten Pedals, dass die Nase des Helikopters nach rechts giert und das Heck nach links schwingt. Der Druck auf das linke Pedal hat den gegenteiligen Effekt: Die Nase des Helikopters giert nach links und das Heck schwingt nach rechts. 

Mit den Antitorque-Pedalen in Neutralstellung hat der Heckrotor einen mittleren positiven Anstellwinkel. Bei mittlerer positiver Steigung entspricht der Schub des Heckrotors im Reiseflug ungefähr dem Drehmoment des Hauptrotors, sodass der Hubschrauber im Horizontalflug einen konstanten Steuerkurs beibehält.

Eine vertikale Flosse oder ein Stabilisator wird in vielen Hubschraubern mit einem Rotor verwendet, um bei der Kurssteuerung zu helfen. Die Finne wurde entwickelt, um die Richtungsstabilität im Flug mit einer Null-Heckrotorschubeinstellung zu optimieren. Die Größe der Finne ist entscheidend für dieses Design. Bei zu großer Fläche kann der Heckrotorschub blockiert werden. Die Kurssteuerung wäre bei langsameren Fluggeschwindigkeiten und beim Schweben schwieriger und die vertikale Flosse würde dann eine Wetterfahne.

Hubschrauber, die mit Tandemrotoren konstruiert sind, haben keinen Antitorque-Rotor. Der Hubschrauber ist so konstruiert, dass sich beide Rotorsysteme in entgegengesetzte Richtungen drehen, um dem Drehmoment entgegenzuwirken, und nicht mit einem Heckrotor. Richtungs-Antidrehmomentpedale werden zur Richtungssteuerung des Flugzeugs während des Flugs sowie während des Rollens mit dem Vorwärtsgang vom Boden verwendet.

Bei ineinander greifenden Rotorsystemen, bei denen es sich um einen Satz von zwei Rotoren handelt, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, wobei jeder Rotormast mit einem leichten Winkel zueinander am Hubschrauber montiert ist, so dass die Blätter ohne Kollision ineinander greifen, und bei koaxialen Rotorsystemen, bei denen es sich um ein Paar handelt Rotoren, die übereinander auf derselben Welle montiert sind und sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, steuern die Kurspedale den Kurs des Hubschraubers im Schwebeflug, indem sie das Drehmoment zwischen den Rotoren aus dem Gleichgewicht bringen, wodurch das Drehmoment den Hubschrauber drehen kann.