Hubschrauber: Luftströmung und Reaktionen in der Rotorscheibe

Relativer Wind

Die Kenntnis des relativen Windes ist für das Verständnis der Aerodynamik und ihrer praktischen Fluganwendung für den Piloten unerlässlich. Relativer Wind ist der Luftstrom relativ zu einem Tragflügel. Die Bewegung eines Tragflügels durch die Luft erzeugt relativen Wind. Relativer Wind bewegt sich in einer Richtung parallel zu, aber entgegengesetzt zu der Bewegung des Strömungsprofils.

Es gibt zwei Teile, um ein Rotorblatt zu passieren:

• Horizontaler Teil – verursacht durch das Drehen der Blätter und die Bewegung des Hubschraubers durch die Luft.
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• Vertikaler Teil – verursacht durch die Luft, die durch die Rotorblätter nach unten gedrückt wird, sowie jede Bewegung der Luft relativ zu den Blättern, die durch das Steigen oder Sinken des Hubschraubers verursacht wird.

Relativer Rotationswind (Tip-Path-Ebene)

Die Rotation der Rotorblätter, wenn sie sich um den Mast drehen, erzeugt einen relativen Rotationswind (Tip-Path-Plane). Der Begriff Rotation bezieht sich auf die Methode zur Erzeugung von Relativwind. Rotations-Relativwind fließt entgegengesetzt zur physikalischen Flugbahn des Tragflügels und trifft auf die Schaufel in einem Winkel von 90° zur Vorderkante und parallel zur Rotationsebene; und es ändert während der Drehung ständig die Richtung. Die relative Rotationswindgeschwindigkeit ist an den Blattspitzen am höchsten und nimmt an der Rotationsachse (Mastmitte) gleichmäßig auf Null ab.

Resultierender relativer Wind

Der resultierende relative Wind bei einem Schwebeflug ist der Rotations-Relativwind, der durch induzierte Strömung modifiziert wird. Diese ist in einem gewissen Winkel nach unten geneigt und gegenüber der effektiven Flugbahn des Strömungsprofils und nicht der physikalischen Flugbahn (relativer Rotationswind). 

Der resultierende relative Wind dient auch als Referenzebene für die Entwicklung von Auftriebs-, Widerstands- und aerodynamischen Gesamtkraft(TAF)-Vektoren auf dem Strömungsprofil. Wenn sich der Hubschrauber horizontal bewegt, modifiziert die Fluggeschwindigkeit den resultierenden relativen Wind weiter. Die Fluggeschwindigkeitskomponente des relativen Windes ergibt sich aus der Bewegung des Hubschraubers durch die Luft. 

Diese Fluggeschwindigkeitskomponente wird zu dem relativen Rotationswind addiert oder davon subtrahiert, je nachdem, ob sich das Blatt in Bezug auf die Hubschrauberbewegung vorbewegt oder zurückzieht. Die Einführung des relativen Luftgeschwindigkeitswinds modifiziert auch die induzierte Strömung. Allgemein, die Abwärtsgeschwindigkeit der induzierten Strömung wird verringert. 

Das Muster der Luftzirkulation durch die Scheibe ändert sich, wenn sich das Flugzeug horizontal bewegt. Wenn der Helikopter Fluggeschwindigkeit gewinnt, führt das Hinzufügen von Vorwärtsgeschwindigkeit zu einer verringerten induzierten Strömungsgeschwindigkeit. Diese Änderung führt zu einem verbesserten Wirkungsgrad (zusätzlicher Auftrieb), der aus einer gegebenen Blattsteigungseinstellung erzeugt wird.

Induzierte Strömung (Downwash) 

Bei flachem Anstellwinkel verlässt die Luft die Hinterkante des Rotorblatts in der gleichen Richtung, in der sie sich über die Vorderkante bewegt hat; es wird kein Auftrieb oder induzierte Strömung erzeugt. Wenn der Anstellwinkel der Blätter erhöht wird, induziert die Rotorscheibe eine nach unten gerichtete Luftströmung durch die Rotorblätter, wodurch eine nach unten gerichtete Luftkomponente erzeugt wird, die dem relativen Rotationswind hinzugefügt wird. 

Da sich die Schaufeln horizontal bewegen, wird ein Teil der Luft nach unten verdrängt. Die Klingen bewegen sich auf dem gleichen Weg und passieren einen bestimmten Punkt in schneller Folge. Die Bewegung der Rotorblätter verwandelt die ruhende Luft in eine Säule absteigender Luft. Daher hat jede Schaufel aufgrund des Downwash einen verringerten AOA. Dieser nach unten gerichtete Luftstrom wird als induzierte Strömung (downwash) bezeichnet. Am ausgeprägtesten ist es beim Schweben bei Windstille.

Im Bodeneffekt (IGE)

Bodeneffekt ist die erhöhte Effizienz der Rotorscheibe, die durch Störungen des Luftstroms in Bodennähe verursacht wird. Der Luftdruck oder die Luftdichte wird erhöht, wodurch die Abwärtsgeschwindigkeit der Luft verringert wird. Der Bodeneffekt ermöglicht einen horizontaleren relativen Wind, einen vertikaleren Auftriebsvektor und eine Verringerung des induzierten Widerstands. Diese Bedingungen ermöglichen, dass die Rotorscheibe effizienter ist. Der maximale Bodeneffekt wird beim Schweben über glatte, harte Oberflächen erzielt. 

Beim Schweben über Oberflächen wie hohem Gras, Bäumen, Büschen, unebenem Gelände und Wasser wird der maximale Bodeneffekt reduziert. Die Rotoreffizienz wird bei den meisten Hubschraubern durch den Bodeneffekt auf eine Höhe von etwa einem Rotordurchmesser (gemessen vom Boden bis zur Rotorscheibe) erhöht. Da die induzierten Strömungsgeschwindigkeiten verringert werden, wird die AOA erhöht, was einen reduzierten Blattanstellwinkel und eine Reduzierung des induzierten Widerstands erfordert. Dies verringert die zum Schweben des IGE erforderliche Leistung.

Out-of-Ground-Effekt (OGE)

Der Vorteil, den Helikopter in Bodennähe zu platzieren, geht oberhalb der IGE-Höhe verloren. Oberhalb dieser Höhe bleibt die zum Schweben erforderliche Leistung bei ähnlichen Bedingungen (z. B. Wind) nahezu konstant. Die induzierte Strömungsgeschwindigkeit wird erhöht, was zu einer Verringerung der AOA und einer Verringerung des Auftriebs führt.

Unter den richtigen Umständen kann diese Abwärtsströmung so lokalisiert werden, dass der Helikopter und lokal gestörte Luft mit alarmierender Geschwindigkeit absinken. Ein größerer Blattanstellwinkel ist erforderlich, um die gleiche AOA wie beim IGE-Schweben beizubehalten. Der erhöhte Steigungswinkel erzeugt auch mehr Luftwiderstand. Dieser erhöhte Neigungswinkel und Widerstand erfordert mehr Kraft, um OGE zu schweben als IGE.

Rotorblattwinkel

Es gibt zwei Winkel, die es einer Rotorscheibe ermöglichen, den für einen Hubschrauberflug erforderlichen Auftrieb zu erzeugen: Anstellwinkel und Anstellwinkel. 

Einfallswinkel

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Sehnenlinie eines Haupt- oder Heckrotorblatts und seiner Rotorscheibe. Es ist eher ein mechanischer Winkel als ein aerodynamischer Winkel und wird manchmal als Blattanstellwinkel bezeichnet. In Abwesenheit einer induzierten Strömung sind AOA und Einfallswinkel gleich. Immer wenn induzierte Strömung, Aufwärtsströmung (Einströmung) oder Fluggeschwindigkeit den relativen Wind modifiziert, unterscheidet sich die AOA vom Einfallswinkel. Kollektiver Input und zyklisches Ausfedern verändern den Einfallswinkel. Eine Änderung des Einfallswinkels ändert die AOA, was den Auftriebskoeffizienten ändert, wodurch sich der durch das Strömungsprofil erzeugte Auftrieb ändert.

Angriffswinkel

AOA ist der Winkel zwischen der Flügelsehnenlinie und dem resultierenden relativen Wind. Es ist ein aerodynamischer Winkel und nicht einfach zu messen. Er kann sich ohne Änderung des Schaufelanstellwinkels (Einfallswinkel, zuvor erörtert) ändern.

Wenn der AOA erhöht wird, wird die über das Schaufelblatt strömende Luft über eine größere Entfernung umgeleitet, was zu einer Erhöhung der Luftgeschwindigkeit und mehr Auftrieb führt. Wenn der AOA weiter erhöht wird, wird es für die Luft schwieriger, glatt über die Oberseite des Strömungsprofils zu strömen. An diesem Punkt beginnt sich der Luftstrom vom Strömungsprofil zu trennen und tritt in ein blubberndes oder turbulentes Muster ein. Die Turbulenz führt zu einem starken Anstieg des Widerstands und einem Auftriebsverlust in dem Bereich, in dem sie stattfindet. Eine Erhöhung des AOA erhöht den Auftrieb, bis der kritische Anstellwinkel erreicht ist. Jede Erhöhung des AOA über diesen Punkt hinaus erzeugt einen Strömungsabriss und eine schnelle Abnahme des Auftriebs.

Mehrere Faktoren können den AOA des Rotorblatts verändern. Der Pilot hat wenig direkte Kontrolle über AOA, außer indirekt durch die Eingabe der Flugsteuerung. Kollektives und zyklisches Federn helfen dabei, diese Änderungen vorzunehmen. Auslaufen ist die Drehung des Blatts um seine Längsachse durch kollektive/zyklische Eingaben, die Änderungen des Blattanstellwinkels bewirken. Das kollektive Ausfedern ändert den Anstellwinkel an allen Rotorblättern gleichzeitig und in die gleiche Richtung. Diese Aktion ändert den AOA, was den Auftriebskoeffizienten (CL) ändert und den Gesamtauftrieb der Rotorscheibe beeinflusst.

Zyklisches Ausfedern ändert die AOA des Blattes um die Rotorscheibe unterschiedlich und erzeugt einen unterschiedlichen Auftrieb. Flieger verwenden zyklisches Federn, um die Lage der Rotorscheibe zu steuern. Es ist das Mittel, um die durch Schlagbewegungen verursachte Rückwärtsneigung des Rotors (Rückstoß) zu steuern und (zusammen mit dem Schlagen der Blätter) einer Asymmetrie des Auftriebs entgegenzuwirken. Zyklisches Ausweichen bewirkt, dass sich die Lage der Rotorscheibe ändert, ändert aber nicht die Höhe des Nettoauftriebs, den die Rotorscheibe erzeugt.

Die meisten Änderungen des AOA stammen von Änderungen der Fluggeschwindigkeit und der Steig- oder Sinkrate; andere wie das Schlagen treten aufgrund des Rotorsystemdesigns automatisch auf. Schlagen ist die Auf- und Abbewegung von Rotorblättern um ein Scharnier an einem voll beweglichen Rotorsystem. Ein halbstarres System hat kein Scharnier, sondern eine Klappe als Einheit. 

Ein starres Rotorsystem hat keine vertikalen oder horizontalen Scharniere, sodass die Blätter nicht flattern oder ziehen können, aber sie können sich biegen. Durch die Biegung kompensieren die Blätter selbst die Kräfte, die zuvor robuste Scharniere erforderten. Es tritt als Reaktion auf Änderungen des Auftriebs aufgrund von sich ändernder Geschwindigkeit oder zyklischem Ausfedern auf. Kein Flattern tritt auf, wenn die Tippath-Ebene senkrecht zum Mast steht. Die Schlagbewegung allein oder zusammen mit dem zyklischen Federn steuert die Unsymmetrie des Auftriebs.  

Piloten stellen AOA durch normale Steuerungsmanipulation des Anstellwinkels der Blätter ein. Wenn der Nickwinkel erhöht wird, erhöht sich der AOA; wenn der Neigungswinkel reduziert wird, wird die AOA reduziert.