Hubschrauber: Hauptrotorsystem und Rumpf

Rumpf

Der Rumpf, der äußere Kern der Flugzeugzelle, ist der Hauptkörperabschnitt eines Flugzeugs, in dem sich die Kabine befindet, in der die Besatzung, die Passagiere und die Fracht Platz finden. Hubschrauberkabinen haben eine Vielzahl von Sitzanordnungen. Bei den meisten sitzt der Pilot auf der rechten Seite, obwohl es einige gibt, bei denen der Pilot auf der linken Seite oder in der Mitte sitzt. Der Rumpf beherbergt auch den Motor, das Getriebe, die Avionik, die Flugsteuerung und das Triebwerk.

Hauptrotorsystem

Das Rotorsystem ist der rotierende Teil eines Hubschraubers, der Auftrieb erzeugt. Der Rotor besteht aus Mast, Nabe und Rotorblättern. Der Mast ist eine hohle zylindrische Metallwelle, die sich von dem Getriebe nach oben erstreckt und angetrieben und manchmal von diesem getragen wird. An der Spitze des Mastes befindet sich der Befestigungspunkt für die Rotorblätter, der Nabe genannt wird. Die Rotorblätter werden dann auf verschiedene Weise 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 artikuliert. Einige moderne Rotorsysteme, wie z. B. das lagerlose Rotorsystem, verwenden eine technische Kombination dieser Typen.

Halbstarres Rotorsystem

Ein halbstarres Rotorsystem besteht normalerweise aus zwei Blättern, die starr an der Hauptrotornabe montiert sind. Die Hauptrotornabe kann bezüglich der Hauptrotorwelle an einem sogenannten Wippen- oder Schlagscharnier frei kippen. Dadurch können die Blätter als Einheit zusammenschlagen. Während ein Flügel nach oben schlägt, klappt der andere nach unten. Da es kein vertikales Schleppscharnier gibt, werden Lead/Lag-Kräfte absorbiert und durch Blattbiegung gemildert. Der halbstarre Rotor ist auch in der Lage zu schwenken, was bedeutet, dass sich der Anstellwinkel des Blattes ändert. Ermöglicht wird dies durch das Federgelenk.

Wenn das halbstarre Rotorsystem ein Underslung-Rotor ist, liegt der Schwerpunkt (CG) unterhalb der Stelle, an der es am Mast befestigt ist. Diese Unterbaumontage dient dazu, den Massenmittelpunkt des Blattes mit einem gemeinsamen Schlagscharnier auszurichten, so dass die Massenmittelpunkte beider Blätter während des Schlagens im gleichen Abstand vom Rotationszentrum variieren. Die Drehzahl des Systems neigt dazu, sich zu ändern, aber dies wird durch die Trägheit des Motors und die Flexibilität des Antriebssystems eingeschränkt. Nur eine mäßige Versteifung an der Schaufelwurzel ist notwendig, um diese Einschränkung zu handhaben. Einfach ausgedrückt, eliminiert das Unterschlingen effektiv ein geometrisches Ungleichgewicht.

Das Underslung-Rotorsystem mildert die Vorlauf-/Nachlaufkräfte, indem die Blätter etwas tiefer als die übliche Rotationsebene montiert werden, sodass die Vorlauf-/Nachlaufkräfte minimiert werden. Wenn sich die Schaufeln nach oben verjüngen, liegt das Druckzentrum der Schaufeln fast in derselben Ebene wie die Nabe. Welche Spannungen auch immer verbleiben, die Klingen werden zur Nachgiebigkeit gebogen.

Hubschrauber mit halbstarren Rotoren sind anfällig für einen als Maststoß bekannten Zustand, der dazu führen kann, dass die Rotorklappenanschläge den Mast abscheren. Das mechanische Design des halbstarren Rotorsystems schreibt vor, dass das Abwärtsschlagen der Blätter eine gewisse physikalische Grenze haben muss. Maststöße sind das Ergebnis von übermäßigem Rotorflattern. Jedes Rotorsystemdesign hat einen maximalen Schlagwinkel. Wenn das Flattern den Auslegungswert überschreitet, berührt der statische Anschlag den Mast. Der statische Anschlag ist eine Komponente des Hauptrotors, der eine begrenzte Bewegung der Riemenbefestigungen und eine konturierte Oberfläche zwischen Mast und Nabe bietet. Es ist der heftige Kontakt zwischen dem statischen Anschlag und dem Mast während des Fluges, der eine Beschädigung oder Trennung des Mastes verursacht. Dieser Kontakt muss unbedingt vermieden werden.

Das Schlagen des Mastes steht in direktem Zusammenhang damit, wie stark das Blattsystem flattert. Im geraden und waagerechten Flug ist das Blattschlagen minimal, vielleicht 2° unter normalen Flugbedingungen. Die Schlagwinkel nehmen bei hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten, bei niedrigen Rotordrehzahlen, in Höhen mit hoher Dichte, bei hohen Bruttogewichten und beim Auftreten von Turbulenzen leicht zu. Das Manövrieren des Flugzeugs in einem Seitenschlupf oder während eines Niedriggeschwindigkeitsflugs bei extremen Schwerpunktpositionen kann zu größeren Schlagwinkeln führen.

Starres Rotorsystem

Das starre Rotorsystem ist sehr reaktionsschnell und normalerweise nicht anfällig für Maststöße wie die halbstarren Systeme, da die Rotornaben fest am Hauptrotormast montiert sind. Dadurch können sich Rotor und Rumpf zusammen als eine Einheit bewegen und ein Großteil der Schwingungen, die normalerweise in den anderen Rotorsystemen vorhanden sind, wird eliminiert. Weitere Vorteile des starren Rotors sind eine Reduzierung des Gewichts und des Widerstands der Rotornabe sowie ein größerer Schlagarm, der die Steuereingaben erheblich reduziert. Ohne die komplexen Scharniere wird das Rotorsystem viel zuverlässiger und einfacher zu warten als die anderen Rotorkonfigurationen. Ein Nachteil dieses Systems ist die Fahrqualität in turbulenter oder böiger Luft. Da keine Scharniere vorhanden sind, um die größeren Lasten zu absorbieren, sind Vibrationen in der Kabine viel stärker zu spüren als bei anderen Rotorkopfkonstruktionen. 

Es gibt mehrere Variationen der drei grundlegenden Rotorkopfdesigns. Das lagerlose Rotorsystem ist eng verwandt mit dem gelenkigen Rotorsystem, hat aber keine Lager oder Scharniere. Diese Konstruktion stützt sich auf die Struktur der Schaufeln und der Nabe, um Spannungen zu absorbieren. Der Hauptunterschied zwischen dem starren Rotorsystem und dem lagerlosen System besteht darin, dass das lagerlose System kein Federlager hat – das Material in der Manschette wird durch die Wirkung des Pitch-Änderungsarms verdreht. Nahezu alle lagerlosen Rotornaben sind aus Faserverbundwerkstoffen gefertigt. Die Unterschiede in der Handhabung zwischen den Rotorsystemtypen sind in Abbildung zusammengefasst.

Voll artikuliertes Rotorsystem

Voll artikulierte Rotorsysteme ermöglichen es jedem Blatt, unabhängig von den anderen Blättern vorzueilen / nachzulaufen (sich in der Ebene hin und her zu bewegen), zu schlagen (sich um ein innen angebrachtes Scharnier nach oben und unten zu bewegen) und zu federn (um die Nickachse zu drehen, um den Auftrieb zu ändern). . Jede dieser Klingenbewegungen steht in Beziehung zu den anderen. Vollgelenkige Rotorsysteme findet man bei Helikoptern mit mehr als zwei Hauptrotorblättern.

Wenn sich der Rotor dreht, reagiert jedes Blatt auf Eingaben von dem Steuersystem, um die Steuerung des Flugzeugs zu ermöglichen. Das Auftriebszentrum des gesamten Rotorsystems bewegt sich als Reaktion auf diese Eingaben, um Nick-, Roll- und Aufwärtsbewegung zu bewirken. Die Größe dieser Auftriebskraft basiert auf der kollektiven Eingabe, die die Steigung an allen Blättern gleichzeitig in die gleiche Richtung ändert. Der Ort dieser Auftriebskraft basiert auf den Neigungs- und Rolleingaben des Piloten. Daher ändert sich der Neigungswinkel jedes Blattes (proportional zu seiner eigenen Hubkraft), wenn es sich mit dem Rotor dreht, daher der Name „zyklische Steuerung“.

Wenn der Auftrieb an einem bestimmten Blatt zunimmt, neigt es dazu, nach oben zu flattern. Das Schlagscharnier für das Blatt lässt diese Bewegung zu und wird durch die Zentrifugalkraft des Blattgewichts ausgeglichen, das versucht, es in der horizontalen Ebene zu halten.

In jedem Fall muss eine gewisse Bewegung berücksichtigt werden. Die Zentrifugalkraft ist nominell konstant; Die Schlagkraft wird jedoch durch die Schwere des Manövers (Steiggeschwindigkeit, Vorwärtsgeschwindigkeit, Bruttogewicht des Flugzeugs) beeinflusst. Wenn das Blatt flattert, ändert sich sein Schwerpunkt. Dies ändert das lokale Trägheitsmoment des Blattes in Bezug auf das Rotorsystem und es beschleunigt oder verlangsamt in Bezug auf die übrigen Blätter und das gesamte Rotorsystem. Dies wird durch das in Abbildung gezeigte Führungs-/Nachlauf- oder Schleppscharnier berücksichtigt und ist mit dem klassischen Bild „Schlittschuhläufer, der eine Drehung macht“ einfacher zu visualisieren. Wenn die Skaterin ihre Arme nach innen bewegt, dreht sie sich schneller, weil sich ihre Trägheit ändert, aber ihre Gesamtenergie konstant bleibt (Reibung für die Zwecke dieser Erklärung vernachlässigen). Umgekehrt verlangsamt sich ihre Drehung, wenn sich ihre Arme ausstrecken. Dies wird auch als Drehimpulserhaltung bezeichnet. Ein In-Plane-Dämpfer moderiert typischerweise die Lead/Lag-Bewegung. 

Einem einzelnen Blatt durch eine einzelne Drehung folgend, beginnend an einer neutralen Position, wenn die Belastung durch erhöhtes Ausfedern zunimmt, flattert es nach oben und führt nach vorne. Während es sich weiter dreht, flattert es nach unten und bleibt zurück. Am niedrigsten Belastungspunkt befindet es sich in seinem niedrigsten Klappenwinkel und auch in seiner „hintersten“ Verzögerungsposition. Da der Rotor eine große rotierende Masse ist, verhält er sich ähnlich wie ein Kreisel. Dies hat zur Folge, dass ein Steuereingang üblicherweise an einer Position 90° vor der Steuereingangsverschiebung in der Rotationsachse am befestigten Körper realisiert wird. Dem wird von den Konstrukteuren Rechnung getragen, indem die Steuereingabe in das Rotorsystem so platziert wird, dass eine Vorwärtseingabe des zyklischen Steuerknüppels zu einer nominellen Vorwärtsbewegung des Flugzeugs führt. Der Effekt wird für den Piloten transparent gemacht.

Ältere Scharnierkonstruktionen stützten sich auf herkömmliche Metalllager. Aufgrund der Grundgeometrie schließt dies ein gleichzeitiges Flattern und Voreil-/Nacheilgelenk aus und ist Anlass für eine wiederkehrende Wartung. Neuere Rotorsysteme verwenden Elastomerlager, Anordnungen aus Gummi und Stahl, die eine Bewegung in zwei Achsen zulassen können. Neben der Lösung einiger der oben erwähnten kinematischen Probleme sind diese Lager normalerweise unter Druck, können leicht inspiziert werden und machen die mit metallischen Lagern verbundene Wartung überflüssig.

Elastomerlager sind von Natur aus ausfallsicher und ihr Verschleiß ist allmählich und sichtbar. Der metallische Kontakt älterer Lager und die Notwendigkeit einer Schmierung entfallen bei dieser Konstruktion. 

Tandemrotor

Hubschrauber mit Tandemrotor (manchmal auch als Doppelrotor bezeichnet) haben zwei große horizontale Rotorbaugruppen; ein Doppelrotorsystem anstelle einer Hauptbaugruppe und einen kleineren Heckrotor. Hubschrauber mit einem Rotor benötigen ein Anti-Torque-System, um das vom einzelnen großen Rotor erzeugte Drehmoment zu neutralisieren. Tandemrotorhubschrauber verwenden jedoch gegenläufige Rotoren, wobei jeder das Drehmoment des anderen aufhebt. Gegenläufige Rotorblätter werden nicht miteinander kollidieren und sich gegenseitig zerstören, wenn sie sich in die Bahn des anderen Rotors biegen. Diese Konfiguration hat auch den Vorteil, dass mit kürzeren Klingen mehr Gewicht gehalten werden kann, da es zwei Sätze gibt. Außerdem kann die gesamte Leistung der Motoren für den Auftrieb verwendet werden, während ein Hubschrauber mit einem Rotor die Leistung verwendet, um dem Drehmoment entgegenzuwirken.

Koaxialrotoren

Ein koaxiales Rotorsystem ist ein Paar Rotoren, die auf derselben Welle montiert sind, sich aber in entgegengesetzte Richtungen drehen. Diese Konstruktion macht einen Heckrotor oder andere Gegendrehmomentmechanismen überflüssig, und da sich die Blätter in entgegengesetzte Richtungen drehen, werden die Auswirkungen einer Asymmetrie des Auftriebs vermieden. Der Hauptnachteil von Koaxialrotoren ist die erhöhte mechanische Komplexität des Rotorsystems. Zahlreiche russische Hubschrauber wie Kaman Ka-31 und Ka-50 sowie der experimentelle X2 von Sikorsky verwenden ein koaxiales Rotordesign.

Ineinandergreifende Rotoren

Ein ineinandergreifendes Rotorsystem ist ein Satz von zwei Rotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, wobei jeder Rotormast mit einem leichten Winkel am Hubschrauber montiert ist, sodass die Blätter ohne Kollision ineinandergreifen. Dieses Design beseitigt auch die Notwendigkeit für ein Antidrehmomentsystem, das mehr Motorleistung für den Auftrieb bereitstellt. Keiner der Rotoren hebt sich jedoch direkt vertikal ab, was die Effizienz jedes Rotors verringert. Die Kaman HH-43, die von der USAF in einer Brandbekämpfungsrolle eingesetzt wurde, und die Kaman K-MAX sind Beispiele für ineinandergreifende Rotorsysteme.