Schwebender Flug
Das Schweben ist der schwierigste Teil beim Fliegen eines Hubschraubers. Dies liegt daran, dass ein Hubschrauber im Schwebeflug seine eigene böige Luft erzeugt, die gegen den Rumpf und die Flugsteuerflächen wirkt. Das Endergebnis sind ständige Steuereingaben und Korrekturen durch den Piloten, um den Hubschrauber dort zu halten, wo er sein soll. Trotz der Komplexität der Aufgabe sind die Steuereingaben in einem Hover einfach. Der zyklische wird verwendet, um Drift in der horizontalen Ebene zu eliminieren und Vorwärts-, Rückwärts-, Rechts- und Linksbewegungen oder -reisen zu steuern.
Die Drosselklappe wird, wenn sie nicht vom Regler gesteuert wird, zur Steuerung der Umdrehungen pro Minute (U/min) verwendet. Das Kollektiv wird verwendet, um die Höhe zu halten. Die Pedale werden verwendet, um die Richtung oder den Kurs der Nase zu steuern. Es ist das Zusammenspiel dieser Bedienelemente, das das Schweben erschwert, da eine Anpassung in einem der beiden Steuerelemente eine Anpassung der anderen beiden erfordert, wodurch ein Zyklus konstanter Korrektur entsteht. Während des Schwebeflugs behält ein Hubschrauber eine konstante Position über einem ausgewählten Punkt bei, normalerweise einige Fuß über dem Boden.
Die Schwebefähigkeit des Helikopters ergibt sich sowohl aus der Auftriebskomponente, also der Kraft, die von den Hauptrotoren entwickelt wird, um die Schwerkraft und das Flugzeuggewicht zu überwinden, als auch aus der Schubkomponente, die horizontal wirkt, um den Helikopter zu beschleunigen oder abzubremsen gewünschte Richtung. Piloten lenken den Schub der Rotorscheibe, indem sie den Kreisel verwenden, um die Rotorscheibenebene relativ zum Horizont zu drehen.
Sie tun dies, um Reisen zu induzieren oder den Wind zu kompensieren und eine Position zu halten. Bei einem Schwebeflug ohne Wind sind alle entgegengesetzten Kräfte (Auftrieb, Schub, Luftwiderstand und Gewicht) im Gleichgewicht; sie sind gleich und entgegengesetzt. Daher sind Auftrieb und Gewicht gleich, was dazu führt, dass der Hubschrauber in einem stationären Schwebeflug bleibt.
Während des Schwebens kann die Höhe des Hauptrotorschubs angepasst werden, um die gewünschte Schwebehöhe beizubehalten. Dies geschieht durch Veränderung des Anstellwinkels (durch Bewegen des Kollektivs) der Rotorblätter und damit ihres Anstellwinkels. Das Ändern des AOA ändert den Luftwiderstand an den Rotorblättern, und die vom Motor gelieferte Leistung muss sich ebenfalls ändern, um die Rotorgeschwindigkeit konstant zu halten.
Das Gewicht, das getragen werden muss, ist das Gesamtgewicht des Hubschraubers und seiner Insassen. Wenn der Auftrieb größer ist als das tatsächliche Gewicht, beschleunigt der Hubschrauber nach oben, bis die Auftriebskraft gleich dem Gewicht des Hubschraubers ist; ist der Auftrieb geringer als das Gewicht, beschleunigt der Helikopter nach unten.
Der Widerstand eines schwebenden Hubschraubers ist hauptsächlich induzierter Widerstand, der entsteht, wenn die Rotorblätter Auftrieb erzeugen. Es gibt jedoch einen gewissen Profilwiderstand an den Rotorblättern, wenn sie sich durch die Luft drehen, und einen geringen parasitären Widerstand von den nicht Auftrieb erzeugenden Oberflächen des Hubschraubers, wie der Rotornabe, den Motorhauben und dem Fahrwerk. Im weiteren Verlauf dieser Diskussion schließt der Begriff „Widerstand“ induzierten, Profil- und Parasiten-Widerstand ein.
Eine wichtige Folge der Schuberzeugung ist das Drehmoment. Wie bereits erwähnt, besagt Newtons Drittes Gesetz: Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Wenn daher der Motor die Hauptrotorscheibe entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, möchte sich der Hubschrauberrumpf im Uhrzeigersinn drehen. Die Drehmomentmenge steht in direktem Zusammenhang mit der Motorleistung, die zum Drehen der Hauptrotorscheibe verwendet wird. Wenn sich die Leistung ändert, ändert sich das Drehmoment.
Um dieser drehmomentinduzierten Drehtendenz entgegenzuwirken, ist in den meisten Hubschrauberkonstruktionen ein Antidrehmomentrotor oder Heckrotor eingebaut. Ein Pilot kann den vom Heckrotor erzeugten Schub im Verhältnis zum vom Motor erzeugten Drehmoment variieren. Da der Motor dem Hauptrotor mehr Leistung zuführt, muss der Heckrotor mehr Schub erzeugen, um den erhöhten Drehmomenteffekt zu überwinden. Diese Steuerungsänderung wird durch die Verwendung von Antitorque-Pedalen erreicht.
Übersetzungstendenz (Drift)
Während des Schwebeflugs neigt ein einzelner Hauptrotorhubschrauber dazu, sich in Richtung des Heckrotorschubs zu bewegen. Diese seitliche (oder seitliche) Bewegung wird Translationstendenz genannt.
Um dieser Tendenz entgegenzuwirken, können eines oder mehrere der folgenden Merkmale verwendet werden. Alle Beispiele beziehen sich auf eine linksdrehende Hauptrotorscheibe.
Das Hauptgetriebe ist in einem leichten Winkel nach links (von hinten gesehen) montiert, so dass der Rotormast eine eingebaute Neigung hat, um dem Heckrotorschub entgegenzuwirken.
Das Getriebe ist so montiert, dass die Rotorwelle senkrecht zum Rumpf steht, der Helikopter „hängt“ mit der linken Kufe tief im Schwebeflug. (Das Gegenteil gilt für Rotorscheiben, die sich von oben gesehen im Uhrzeigersinn drehen.)
Der Helikopterrumpf wird auch geneigt, wenn sich der Heckrotor unter der Hauptrotorscheibe befindet und einen Gegendrehmomentschub liefert. Die Rumpfneigung wird durch das unvollkommene Gleichgewicht des Heckrotorschubs gegen das Hauptrotordrehmoment in derselben Ebene verursacht. Der Helikopter neigt sich aufgrund von zwei getrennten Kräften, der Neigung der Hauptrotorscheibe, um die Translationstendenz zu neutralisieren, und dem Schub des unteren Heckrotors unterhalb der Ebene der Drehmomentwirkung.
Im Vorwärtsflug schiebt der Heckrotor weiter nach rechts, und der Hubschrauber macht einen kleinen Winkel mit dem Wind, wenn die Rotoren waagerecht stehen und die Gleitkugel in der Mitte ist. Dies wird als inhärenter Seitenschlupf bezeichnet. Bei einigen größeren Hubschraubern ist die vertikale Flosse oder der Stabilisator oft mit dem darauf montierten Heckrotor konstruiert, um diesen Seitenschlupf zu korrigieren und einen Teil der Neigung beim Schweben zu beseitigen.
(Durch die Montage des Heckrotors oben auf der vertikalen Flosse oder dem Pylon liegt das Gegendrehmoment mehr in einer Linie mit oder näher an der horizontalen Drehmomentebene, was dazu führt, dass sich die Flugzeugzelle (oder der Körper) weniger vom Heckrotor neigt.) Auch mit dem Ein höher über dem Boden stehender Heckrotor verringert das Risiko, dass Gegenstände mit den Blättern in Kontakt kommen, jedoch auf Kosten von erhöhtem Gewicht und Komplexität.
Die Flugsteuerung kann so eingerichtet werden, dass die Rotorscheibe leicht nach links geneigt ist, wenn der Kreisel zentriert ist. Unabhängig davon, welche Methode verwendet wird, wird die Spitze-Pfad-Ebene beim Schweben leicht nach links geneigt.
Pendelaktion
Da der Rumpf des Hubschraubers mit einem einzigen Hauptrotor an einem einzigen Punkt aufgehängt ist und eine beträchtliche Masse hat, kann er wie ein Pendel frei entweder in Längsrichtung oder seitlich schwingen. Diese Pendelbewegung kann durch Übersteuerung übertrieben werden; Daher sollten Steuerbewegungen glatt und nicht übertrieben sein.
Das Höhenleitwerk hilft, den Helikopter im Vorwärtsflug auszurichten. Beim Rückwärtsflug kann der horizontale Stabilisator jedoch das Heck nach unten drücken, was zu einem Heckschlag führt, wenn der Hubschrauber rückwärts in den Wind bewegt wird. Normalerweise erfährt der horizontale Stabilisator, wenn der Helikopter hauptsächlich im Wind steht, weniger Gegenwindkomponente, wenn der Helikopter mit der Rückwärtsfahrt (Windabwärts) beginnt. Wenn die Rückwärtsflug-Bodengeschwindigkeit gleich der Windgeschwindigkeit ist, dann schwebt der Hubschrauber lediglich in einem windstillen Zustand. Das Rückwärtsschweben gegen den Wind erfordert jedoch erhebliche Sorgfalt und Vorsicht, um Heckschläge zu vermeiden.
Es ist wichtig zu beachten, dass es einen Unterschied im Ausmaß der Pendelbewegung zwischen einem halbstarren System und einem vollständig gelenkigen System gibt. Aufgrund der harten Verbindung (Versatz) des letzteren wird die an den Blättern herausziehende Zentrifugalkraft auf den Rumpf übertragen, und der Rumpf neigt dazu, der Rotorlage zu folgen. Das halbstarre System ist ein echtes Pendel, dessen Schub erforderlich ist, um ein Moment um den Schwerpunkt des Rumpfs herum zu erzeugen, um die Kontrolle über den Rumpf zu ermöglichen. Dies kommt später ins Spiel, wenn über Maststöße gesprochen wird.
Betrügen
Damit ein Hubschrauber Auftrieb erzeugen kann, müssen sich die Rotorblätter drehen. Die Rotation der Rotorscheibe treibt die Blätter in die Luft und erzeugt eine relative Windkomponente, ohne dass die Flugzeugzelle wie bei einem Flugzeug oder Segelflugzeug durch die Luft bewegt werden muss. Abhängig von der Bewegung der Blätter und der Flugzeugzelle des Hubschraubers bewirken viele Faktoren, dass die relative Windrichtung variiert.
Die Drehung der Rotorscheibe erzeugt eine Zentrifugalkraft (Trägheit), die dazu neigt, die Blätter von der Hauptrotornabe gerade nach außen zu ziehen: Je schneller die Drehung, desto größer die Zentrifugalkraft, je langsamer die Drehung, desto kleiner die Zentrifugalkraft. Diese Kraft verleiht den Rotorblättern ihre Steifigkeit und wiederum die Festigkeit, um das Gewicht des Hubschraubers zu tragen. Die maximal erzeugte Zentrifugalkraft wird durch die maximale Betriebsdrehzahl des Rotors pro Minute (rpm) bestimmt.
Wenn der Auftrieb an den Blättern erhöht wird (z. B. bei einem Start), wirken zwei Hauptkräfte gleichzeitig – die nach außen wirkende Zentrifugalkraft und der nach oben wirkende Auftrieb. Das Ergebnis dieser beiden Kräfte ist, dass die Blätter eine konische Bahn einnehmen, anstatt in der Ebene senkrecht zum Mast zu bleiben. Dies ist bei jedem Hubschrauber beim Start zu sehen; die Rotorscheibe ändert sich von flach zu einer leichten Kegelform.
Wenn die Rotordrehzahl zu niedrig werden darf (z. B. unter die minimale Rotordrehzahl beim Einschalten), wird die Zentrifugalkraft kleiner und der Konuswinkel wird viel größer. Mit anderen Worten, wenn die Drehzahl zu stark abfällt, klappen die Rotorblätter irgendwann ohne Aussicht auf Erholung ein.
Coriolis-Effekt (Winkelimpulserhaltungssatz)
Der Coriolis-Effekt wird auch als Drehimpulserhaltungssatz bezeichnet. Es besagt, dass sich der Wert des Drehimpulses eines rotierenden Körpers nicht ändert, wenn keine äußere Kraft ausgeübt wird. Mit anderen Worten dreht sich ein rotierender Körper mit der gleichen Rotationsgeschwindigkeit weiter, bis eine äußere Kraft aufgebracht wird, um die Rotationsgeschwindigkeit zu ändern. Der Drehimpuls ist das Trägheitsmoment (Masse mal Abstand vom Rotationszentrum im Quadrat) multipliziert mit der Rotationsgeschwindigkeit.
Änderungen der Winkelgeschwindigkeit, die als Winkelbeschleunigung und -verzögerung bekannt sind, finden statt, wenn die Masse eines rotierenden Körpers näher an die Rotationsachse heran oder weiter von ihr weg bewegt wird. Die Geschwindigkeit der rotierenden Masse ändert sich proportional zum Quadrat des Radius.
Ein hervorragendes Beispiel für dieses Prinzip in Aktion ist ein Eiskunstläufer, der auf Schlittschuhen eine Drehung macht. Der Skater beginnt die Rotation auf einem Fuß, wobei das andere Bein und beide Arme ausgestreckt sind. Die Rotation des Körpers des Skaters ist relativ langsam. Wenn ein Skater beide Arme und ein Bein nach innen zieht, wird das Trägheitsmoment (Masse mal Radius im Quadrat) viel kleiner und der Körper dreht sich fast schneller, als das Auge folgen kann. Da der Drehimpuls naturgesetzlich gleich bleiben muss (keine äußere Kraft wirkt), muss die Winkelgeschwindigkeit zunehmen.
Das um die Rotornabe rotierende Rotorblatt besitzt einen Drehimpuls. Wenn sich der Rotor aufgrund von G-Lademanövern zu verjüngen beginnt, schrumpft der Durchmesser der Rotorscheibe. Aufgrund der Drehimpulserhaltung erhöhen die Schaufeln die Geschwindigkeit, obwohl die Schaufelspitzen aufgrund des reduzierten Scheibendurchmessers eine kürzere Wegstrecke zurücklegen müssen. Die Aktion führt zu einer Erhöhung der Rotordrehzahl, was zu einer leichten Erhöhung des Auftriebs führt. Die meisten Piloten stoppen diese Erhöhung der Drehzahl mit einer Erhöhung des kollektiven Pitch. Diese Erhöhung des Auftriebs der Schaufeldrehzahl wird durch die etwas kleinere Scheibenfläche etwas aufgehoben, wenn sich die Schaufeln nach oben verjüngen.
Kreiselpräzession
Der sich drehende Hauptrotor eines Helikopters wirkt wie ein Kreisel. Als solches hat es die Eigenschaften der Kreiselbewegung, von denen eine die Präzession ist. Gyroskopische Präzession ist die resultierende Aktion oder Ablenkung eines sich drehenden Objekts, wenn eine Kraft auf dieses Objekt ausgeübt wird. Diese Aktion erfolgt etwa 90° in Rotationsrichtung von dem Punkt, an dem die Kraft ausgeübt wird (oder 90° später im Rotationszyklus).
Untersuchen Sie eine zweiblättrige Rotorscheibe, um zu sehen, wie sich die gyroskopische Präzession auf die Bewegung der Spitzenbahnebene auswirkt. Das Bewegen der zyklischen Pitch-Steuerung erhöht den Anstellwinkel eines Rotorblatts, was dazu führt, dass an diesem Punkt in der Rotationsebene eine größere Auftriebskraft aufgebracht wird. Diese gleiche Steuerbewegung verringert gleichzeitig den Anstellwinkel der anderen Klinge um denselben Betrag, wodurch die an diesem Punkt in der Rotationsebene aufgebrachte Hubkraft verringert wird.
Die Schaufel mit dem vergrößerten Einfallswinkel neigt dazu, nach oben zu schlagen; die Schaufel mit dem verringerten Einfallswinkel neigt dazu, nach unten zu schlagen. Da die Rotorscheibe wie ein Kreisel wirkt, erreichen die Blätter ihre maximale Auslenkung etwa 90° später in der Rotationsebene.
Der Anstellwinkel der rücklaufenden Schaufel wird vergrößert, und der Anstellwinkel der vorrückenden Schaufel wird verringert, was zu einem Kippen der Spitzenbahnebene nach vorne führt, da die maximale Ablenkung 90° später stattfindet, wenn die Schaufeln jeweils hinten und vorne sind. Bei einer Rotorscheibe, die drei oder mehr Blätter verwendet, ändert die Bewegung der zyklischen Anstellwinkelsteuerung den Anstellwinkel jedes Blatts um einen geeigneten Betrag, so dass das Endergebnis das gleiche ist.
