Hubschrauber: Leistung

Die Fähigkeit eines Piloten, die Leistung eines Hubschraubers vorherzusagen, ist äußerst wichtig. Es hilft festzustellen, wie viel Gewicht der Helikopter vor dem Start tragen kann, ob der Helikopter bei einer bestimmten Höhe und Temperatur sicher schweben kann, wie weit er über Hindernisse steigen muss und wie hoch die maximale Steigrate sein wird.

Faktoren, die die Leistung beeinflussen

Die Leistung eines Hubschraubers hängt von der Leistung des Motors und dem Auftrieb der Rotoren ab, egal ob es sich um den Hauptrotor oder den Heckrotor handelt. Jeder Faktor, der die Motor- und Rotoreffizienz beeinflusst, wirkt sich auf die Leistung aus. Die drei Hauptfaktoren, die die Leistung beeinflussen, sind Dichte, Höhe, Gewicht und Wind.

Feuchtigkeit (Feuchtigkeit)

Die Luftfeuchtigkeit allein wird normalerweise nicht als wichtiger Faktor bei der Berechnung der Dichtehöhe und der Hubschrauberleistung angesehen. es trägt jedoch dazu bei. Es gibt keine Faustregeln zur Berechnung der Auswirkungen der Luftfeuchtigkeit auf die Dichtehöhe, aber einige Hersteller fügen Diagramme mit Spalten mit 80 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit als zusätzliche Informationen hinzu. Im Vergleich zu trockener Luft bei gleicher Höhe und Temperatur scheint die Leistung um etwa 3 bis 4 Prozent geringer zu sein. Erwarten Sie also eine Verringerung der Schwebe- und Startleistung bei Bedingungen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Obwohl 3-4 Prozent unbedeutend erscheinen, können sie die Ursache für ein Missgeschick sein, wenn der Hubschrauber bereits am Limit arbeitet.

Gewicht

Das Gewicht ist einer der wichtigsten Faktoren, weil der Pilot es kontrollieren kann. Die meisten Leistungsdiagramme enthalten das Gewicht als eine der Variablen. Indem das Gewicht des Hubschraubers verringert wird, kann ein Pilot in der Lage sein, sicher an einem Ort zu starten oder zu landen, der andernfalls unmöglich wäre. Sollten Sie jedoch jemals Zweifel haben, ob ein Start oder eine Landung sicher durchgeführt werden kann, verschieben Sie Ihren Start, bis günstigere Dichtehöhenbedingungen vorliegen. Wenn Sie in der Luft sind, versuchen Sie, an einem Ort zu landen, der günstigere Bedingungen bietet, oder an einem Ort, an dem eine Landung durchgeführt werden kann, die keinen Schwebeflug erfordert.

Darüber hinaus erzeugt bei höheren Bruttogewichten die zum Schweben erforderliche erhöhte Leistung mehr Drehmoment, was bedeutet, dass mehr Gegendrehmomentschub erforderlich ist. Bei einigen Hubschraubern während des Betriebs in großer Höhe reicht das maximale Gegendrehmoment, das vom Heckrotor während eines Schwebeflugs erzeugt wird, möglicherweise nicht aus, um das Drehmoment zu überwinden, selbst wenn das Bruttogewicht innerhalb der Grenzen liegt.

Winde

Windrichtung und -geschwindigkeit beeinflussen auch die Schwebe-, Start- und Steigleistung. Translationsauftrieb tritt immer dann auf, wenn eine relative Luftströmung über der Rotorscheibe vorhanden ist. Dies tritt auf, unabhängig davon, ob der relative Luftstrom durch Hubschrauberbewegungen oder durch den Wind verursacht wird. Geht man von Gegenwind aus, nimmt mit zunehmender Windgeschwindigkeit der Translationsauftrieb zu, was dazu führt, dass weniger Kraft zum Schweben benötigt wird.

Auch die Windrichtung spielt eine wichtige Rolle. Gegenwind ist am wünschenswertesten, da er zur größten Leistungssteigerung beiträgt. Starker Seiten- und Rückenwind kann die Verwendung von mehr Heckrotorschub erfordern, um die Richtungskontrolle aufrechtzuerhalten. Dieser erhöhte Heckrotorschub nimmt Leistung vom Motor auf, wodurch dem Hauptrotor weniger Leistung zur Erzeugung von Auftrieb zur Verfügung steht. Einige Hubschrauber haben sogar ein kritisches Windazimut oder eine maximale sichere relative Windkarte. Der Betrieb des Helikopters außerhalb dieser Grenzen kann zu einem Verlust der Heckrotorwirkung führen.

Die Start- und Steigleistung wird stark vom Wind beeinflusst. Beim Start bei Gegenwind wird der effektive Translationsauftrieb früher erreicht, was zu mehr Auftrieb und einem steileren Steigwinkel führt. Beim Abheben mit Rückenwind wird mehr Weg benötigt, um durch den Übersetzungsauftrieb zu beschleunigen.

Leistungsdiagramme

Bei der Entwicklung von Leistungsdiagrammen machen Flugzeughersteller bestimmte Annahmen über den Zustand des Hubschraubers und die Fähigkeiten des Piloten. Es wird vorausgesetzt, dass sich der Helikopter in einem guten Betriebszustand befindet, Windstille herrscht und der Motor seine Nennleistung entwickelt. Es wird davon ausgegangen, dass der Pilot normale Betriebsverfahren befolgt und über durchschnittliche Flugfähigkeiten verfügt. Durchschnitt bedeutet, dass ein Pilot in der Lage ist, jede der erforderlichen Aufgaben korrekt und zum richtigen Zeitpunkt auszuführen.

Unter Verwendung dieser Annahmen entwickelt der Hersteller Leistungsdaten für den Hubschrauber basierend auf tatsächlichen Flugtests. Sie testen den Hubschrauber jedoch nicht unter allen Bedingungen, die in einem Leistungsdiagramm aufgeführt sind. Stattdessen werten sie bestimmte Daten aus und leiten die restlichen Daten mathematisch ab. 

Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm

Das Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm (H/V) zeigt die Kombinationen aus Fluggeschwindigkeit und Höhe über dem Boden, die es einem durchschnittlichen Piloten ermöglichen, eine Landung nach einem Triebwerksausfall erfolgreich abzuschließen. Durch sorgfältiges Studieren des Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramms ist ein Pilot in der Lage, die Kombinationen von Höhe und Fluggeschwindigkeit zu vermeiden, die möglicherweise nicht genügend Zeit oder Höhe ermöglichen, um in einen stabilisierten autorotativen Sinkflug einzutreten.

In der einfachsten Erklärung ist das H/V-Diagramm ein Diagramm, in dem die schraffierten Bereiche vermieden werden sollten, da der Pilot möglicherweise eine Autorotationslandung nicht ohne Schaden beenden kann. Das H/V-Diagramm enthält normalerweise ein Startprofil, wobei das Diagramm von Nullhöhe und Nullgeschwindigkeit bis zum Reiseflug durchquert werden kann, ohne die schattierten Bereiche zu betreten oder mit minimaler Exposition gegenüber schattierten Bereichen. 

Der graue Teil auf der linken Seite des Diagramms markiert ein Flugprofil, das es dem Piloten wahrscheinlich nicht erlaubt, eine Autorotation erfolgreich abzuschließen, hauptsächlich aufgrund der unzureichenden Fluggeschwindigkeit, um rechtzeitig in ein autorotatives Profil einzutreten, um einen Absturz zu vermeiden. Der schattierte Bereich unten rechts ist aufgrund der Fluggeschwindigkeit und der Nähe zum Boden gefährlich, was zu einer drastisch verkürzten Reaktionszeit für den Piloten im Falle eines mechanischen Versagens oder anderer Notfälle während des Fluges führt. Dieser schattierte Bereich unten rechts wird in H / V-Diagrammen für mehrmotorige Hubschrauber nicht dargestellt, die in der Lage sind, bei einem Ausfall eines einzelnen Triebwerks sicher zu schweben und zu fliegen.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Relevanz des H/V-Diagramms für einen einmotorigen Hubschrauber weiter.

In niedrigen Höhen mit geringer Fluggeschwindigkeit, wie z. B. einem Schwebetaxi, kann der Pilot einfach die kinetische Energie der Rotorscheibe nutzen, um die Landung mit kollektiver Rotationsträgheit abzufedern und in Auftrieb umzuwandeln. Das Flugzeug befindet sich in einem sicheren Teil des H/V-Diagramms. Am äußersten Ende der Skala (z. B. ein 3-Fuß-Schwebetaxi im Schritttempo) wäre sogar ein völliges Nichterkennen des Leistungsverlusts, der zu einer ungedämpften Landung führt, wahrscheinlich verkraftbar.

Wenn die Fluggeschwindigkeit ohne Höhenzunahme zunimmt, kommt ein Punkt, an dem die Reaktionszeit des Piloten nicht ausreichen würde, um rechtzeitig mit einem Aufflackern zu reagieren, um einen hohen Geschwindigkeits- und damit wahrscheinlich tödlichen Bodenaufprall zu verhindern. Eine weitere zu berücksichtigende Sache ist die Länge des Heckauslegers und die Reaktionszeit der Hubschrauber-Flugsteuerungen bei langsamen Fluggeschwindigkeiten und niedrigen Höhen. Schon kleine Höhenzunahmen geben dem Piloten viel mehr Zeit zum Reagieren; Daher ist der untere rechte Teil des H/V-Diagramms normalerweise ein flacher Gradient. Wenn die Fluggeschwindigkeit über der idealen Autorotationsgeschwindigkeit liegt, besteht der Instinkt des Piloten normalerweise darin, Geschwindigkeit in Höhe umzuwandeln und die Rotordrehzahl durch Kegeln zu erhöhen, wodurch er auch sofort aus der Totmannkurve herauskommt.

Umgekehrt bringt eine Erhöhung der Höhe ohne eine entsprechende Erhöhung der Fluggeschwindigkeit das Flugzeug über eine überlebensfähige ungefederte Aufprallhöhe und schließlich über eine Höhe, bei der die Rotorträgheit in ausreichenden Auftrieb umgewandelt werden kann, um eine überlebensfähige Landung zu ermöglichen. Dies tritt abrupt bei Fluggeschwindigkeiten auf, die weit unter der idealen autorotativen Geschwindigkeit liegen (normalerweise 40–80 Knoten). Der Pilot muss genügend Zeit haben, um auf Autorotationsgeschwindigkeit zu beschleunigen, um erfolgreich zu autorotieren; dies bezieht sich direkt auf eine Anforderung an die Höhe. Ab einer bestimmten Höhe kann der Pilot auch aus Nullknoten Start eine Autorotationsgeschwindigkeit erreichen und somit hohe OGE-Schwebeflug aus der Kurve bringen.

Das typische sichere Startprofil beinhaltet die Einleitung des Vorwärtsflugs aus einer Fahrwerkshöhe von 2 bis 3 Fuß, wobei nur an Höhe gewonnen wird, wenn der Hubschrauber durch Translationsauftrieb beschleunigt, wenn sich die Fluggeschwindigkeit einer sicheren autorotativen Geschwindigkeit nähert. An diesem Punkt kann ein Teil des verfügbaren erhöhten Schubs verwendet werden, um eine sichere Steigfluggeschwindigkeit zu erreichen, die den Hubschrauber aus den schattierten oder schraffierten Bereichen des H/V-Diagramms heraushält. Obwohl Hubschrauber nicht daran gehindert werden, Manöver durchzuführen, die sie in den schattierten Bereich des H/V-Diagramms bringen, ist es wichtig, dass Piloten verstehen, dass der Betrieb in diesen schattierten Bereichen Pilot, Flugzeug und Passagiere einer gewissen Gefahr aussetzt, wenn der Motor ausfällt oder Fehlfunktion des Antriebsstrangs. Der Pilot sollte immer das Risiko des Manövers im Vergleich zum Betriebswert abwägen. 

Die Wirkung von Gewicht versus Dichtehöhe

Das Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm stellt Höhen- und Fluggeschwindigkeitssituationen dar, aus denen eine erfolgreiche Autorotation durchgeführt werden kann. Die erforderliche Zeit und daher die erforderliche Höhe, um einen stationären autorotativen Sinkflug zu erreichen, hängt vom Gewicht des Hubschraubers und der Dichtehöhe ab. Aus diesem Grund ist das H/V-Diagramm nur gültig, wenn der Helikopter nach dem Bruttogewicht-Dichte-Höhendiagramm betrieben wird. Falls veröffentlicht, ist diese Karte im RFM für den jeweiligen Hubschrauber zu finden. Das Diagramm der Bruttogewicht-Dichte-Höhe soll keine Einschränkung des Bruttogewichts darstellen, sondern einen Hinweis auf die autorotative Fähigkeit des Hubschraubers während des Starts und des Steigflugs geben. Ein Pilot muss sich jedoch darüber im Klaren sein, dass bei Bruttogewichten über den in der Höhentabelle Bruttogewicht versus Dichte empfohlenen

Unter der Annahme einer Dichtehöhe von 8.500 Fuß wäre das Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm in Abbildung bis zu einem Bruttogewicht von etwa 2.500 Pfund gültig. Dies wird gefunden, indem man den Graphen in Abbildung bei einer Dichtehöhe von 8.500 Fuß (Punkt A) eingibt und sich dann horizontal zur durchgezogenen Linie (Punkt B) bewegt. Wenn man sich vertikal zum unteren Rand des Diagramms (Punkt C) bewegt, beträgt das maximale Bruttogewicht, unter dem das Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm anwendbar ist, bei der vorhandenen Dichtehöhe 2.500 Pfund.

Die Erstellung von Leistungstabellen und -diagrammen für Hubschrauber ist gemäß Titel 14 des Code of Federal Regulations (14 CFR) Part 27, Airworthiness Standards, gesetzlich vorgeschrieben. Diese Diagramme legen sicherere Parameter für den Betrieb fest. Obwohl dies nicht vorgeschrieben ist, sollte der Pilot eine vollständige Risikobewertung durchführen, um das höhere Risiko sorgfältig abzuwägen, bevor er in den schattierten Bereichen des Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramms operiert.

Autorotationsleistung

Die meisten Autorotationsleistungsdiagramme geben an, dass die Autorotationsabstiegsleistung eine Funktion der angezeigten Fluggeschwindigkeit (IAS) ist und im Wesentlichen nicht von der Dichtehöhe und dem Bruttogewicht beeinflusst wird. Denken Sie daran, dass die potenzielle Energie, die während der Autorotation aufgewendet wird, irgendwann in kinetische Energie für die Flare- und Touchdown-Phase des Manövers umgewandelt wird. An diesem Punkt haben erhöhte Dichtehöhen und schwerere Bruttogewichte einen großen Einfluss auf den erfolgreichen Abschluss der Autorotation. Die Rotorscheibe muss in der Lage sein, den Abwärtsimpuls des Hubschraubers zu überwinden und genügend Auftrieb zu bieten, um die Landung abzufedern. Mit zunehmender Dichtehöhe und Bruttogewicht wird das Auftriebspotential reduziert und ein höherer kollektiver Nickwinkel (Anstellwinkel) benötigt.

Während der Autorotation liefert die Schwerkraft die Energiequelle, die den Rotor antreibt, indem sie während des Abstiegs eine Aufwärtsströmung durch den Rotor verursacht. Dies ist dasselbe wie zu sagen, dass potentielle Energie gegen kinetische Energie eingetauscht wird, um den Rotor zu drehen, wenn das Flugzeug absteigt.

In Abbildung zeigt die S-300-Kurve die verschiedenen Kombinationen von horizontalen und vertikalen Geschwindigkeiten, die die erforderliche Energie liefern, um den Rotor konstant bei 471 U/min drehen zu lassen. Beispielsweise liefert eine Fluggeschwindigkeit von 54 mph mit einer entsprechenden vertikalen Geschwindigkeit von 1.600 Fuß pro Minute (fpm) genügend kinetische Energie, um den Rotor bei 471 U / min zu halten. Dem Rotor ist es egal, ob die Luft von vorne oder von unten kommt, solange die Summe ausreicht, um die Drehzahl zu halten. Jeder Punkt auf der Kurve hält die Rotordrehzahl aufrecht. Dem Piloten ist das aber egal, denn wenn er beispielsweise mit 30 Knoten gleitet, liegt die entsprechende Sinkrate bei über 2.200 fpm. Da es wenig Fluggeschwindigkeit für eine Verzögerung (oder „Flare“) gibt, um die Abstiegsrate vor dem Aufsetzen zu reduzieren,

Studenten, die diese Beziehung vollständig verstehen, verstehen, warum das Training von Autorotationen normalerweise auf Fluggeschwindigkeiten zwischen der minimalen Sinkfluggeschwindigkeit und der maximalen Reichweitenfluggeschwindigkeit (normalerweise etwa 25 Prozent schneller als die minimale Sinkfluggeschwindigkeit) beschränkt ist.

Die Bezugnahme auf eine Kurve ähnlich der in Abbildung gezeigten ist hilfreich, um die Folgen zu verstehen, wenn die Zielfluggeschwindigkeit bei der Ausführung einer Autorotation nicht beibehalten wird. Einfach ausgedrückt sollte der Pilot wissen, warum die Fluggeschwindigkeit der wichtigste Faktor ist, der die Sinkgeschwindigkeit beeinflusst.

Schwebende Leistung

Die Hubschrauberleistung dreht sich darum, ob der Hubschrauber schweben kann oder nicht. Während des Schwebens wird mehr Leistung benötigt als in jedem anderen Flugregime. Abgesehen von Hindernissen kann ein Start durchgeführt werden, wenn ein Schweben aufrechterhalten werden kann, insbesondere mit dem zusätzlichen Vorteil des Translationsauftriebs. Schwebediagramme werden für Schwebeflug im Bodeneffekt (IGE) und Schwebeflug außerhalb des Bodeneffekts (OGE) unter verschiedenen Bedingungen von Bruttogewicht, Höhe, Temperatur und Leistung bereitgestellt. Die IGE-Schwebedecke ist normalerweise höher als die OGE-Schwebedecke aufgrund des zusätzlichen Auftriebsvorteils, der durch den Bodeneffekt erzeugt wird. Ein Pilot sollte immer einen OGE-Schwebeflug planen, wenn er in einem Gebiet landet, das unsicher oder unbestätigt ist. Mit zunehmender Dichtehöhe wird mehr Kraft zum Schweben benötigt. Irgendwann ist die benötigte Leistung gleich der verfügbaren Leistung. Damit ist die Schwebedecke unter den bestehenden Bedingungen festgelegt. Jede Anpassung des Bruttogewichts durch Variieren von Kraftstoff, Nutzlast oder beidem wirkt sich auf die Schwebedecke aus. Je schwerer das Bruttogewicht, desto niedriger die schwebende Decke. Wenn das Bruttogewicht abnimmt, erhöht sich die Schwebedecke.

Steigleistung

Die meisten Faktoren, die die Schwebe- und Startleistung beeinflussen, wirken sich auch auf die Steigleistung aus. Darüber hinaus können turbulente Luft, Techniken des Piloten und der Gesamtzustand des Hubschraubers dazu führen, dass die Steigleistung variiert.

Ein Hubschrauber, der mit der besten Steiggeschwindigkeit (VY) geflogen wird, erzielt den größten Höhengewinn über einen bestimmten Zeitraum. Diese Geschwindigkeit wird normalerweise während des Steigflugs verwendet, nachdem alle Hindernisse beseitigt wurden, und wird normalerweise beibehalten, bis die Reiseflughöhe erreicht ist. Steiggeschwindigkeit darf nicht mit Steigwinkel verwechselt werden. Der Steigwinkel ist eine Funktion der Höhe, die über eine bestimmte Entfernung gewonnen wird. Der VY führt zur höchsten Steigrate, aber nicht zum steilsten Steigwinkel und reicht möglicherweise nicht aus, um Hindernisse zu überwinden. Die beste Steigwinkelgeschwindigkeit (VX) hängt von der verfügbaren Leistung ab. Wenn ein Leistungsüberschuss verfügbar ist, kann der Hubschrauber vertikal steigen, sodass VX null ist.

Windrichtung und -geschwindigkeit wirken sich auf die Steigleistung aus, werden aber oft missverstanden. Die Fluggeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich der Hubschrauber durch die Atmosphäre bewegt und vom Wind nicht beeinflusst wird. Der atmosphärische Wind beeinflusst nur die Bodengeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit, mit der sich der Hubschrauber über die Erdoberfläche bewegt. Somit ist die einzige Steigleistung, die durch atmosphärischen Wind beeinflusst wird, der Steigwinkel und nicht die Steiggeschwindigkeit.

Bei der Planung der Steigleistung ist es zunächst wichtig, die Drehmomenteinstellungen im Horizontalflug zu planen. Steigleistungsdiagramme zeigen die Änderung des Drehmoments über oder unter dem Drehmoment, die für einen Horizontalflug unter demselben Bruttogewicht und denselben atmosphärischen Bedingungen erforderlich ist, um eine bestimmte Steig- oder Sinkgeschwindigkeit zu erreichen.