Hubschrauber: Seitwärtsflug und Vorwärtsflug
Seitwärtsflug
Beim Seitwärtsflug wird die Spitzenpfadebene in die gewünschte Flugrichtung geneigt. Dies kippt den gesamten Auftriebs-Schub-Vektor seitwärts. In diesem Fall ist die vertikale oder Auftriebskomponente immer noch gerade nach oben und das Gewicht gerade nach unten, aber die horizontale oder Schubkomponente wirkt jetzt seitwärts, wobei der Luftwiderstand auf die gegenüberliegende Seite wirkt.
Der Seitwärtsflug kann aufgrund des parasitären Widerstands des Rumpfs in Kombination mit dem Fehlen eines horizontalen Stabilisators für diese Flugrichtung ein sehr instabiler Zustand sein. Höhere Höhen helfen bei der Kontrolle und der Pilot muss immer in Flugrichtung scannen. Die Bewegung des Zyklikers in die beabsichtigte Flugrichtung bewirkt, dass sich der Hubschrauber bewegt, steuert die Geschwindigkeitsrate und die Bodenspur, aber das Kollektiv und die Pedale sind der Schlüssel zum erfolgreichen Seitwärtsflug. Genau wie beim Vorwärtsflug verhindert das Kollektiv, dass der Hubschrauber den Boden berührt, und die Pedale helfen, den richtigen Kurs beizubehalten. Auch im Seitwärtsflug sollte das Heck des Helikopters hinter Ihnen bleiben. Eingaben in das Rad sollten sanft und kontrolliert sein, und der Pilot sollte sich immer der Spitze-Pfad-Ebene in Bezug auf den Boden bewusst sein.
Der Bodenkontakt mit den Kufen während des Seitwärtsflugs führt höchstwahrscheinlich zu einem dynamischen Überschlagsereignis, bevor der Pilot reagieren kann. Beim seitlichen Manövrieren des Helikopters ist äußerste Vorsicht geboten, um solche Gefahren zu vermeiden.
Vorwärtsflug
Bei einem stetigen Vorwärtsflug ohne Änderung der Flug- oder Vertikalgeschwindigkeit müssen die vier Kräfte Auftrieb, Schub, Luftwiderstand und Gewicht im Gleichgewicht sein. Sobald die Spitze-Weg-Ebene nach vorne geneigt ist, wird die gesamte Auftriebs-Schubkraft ebenfalls nach vorne geneigt. Diese resultierende Auftriebsschubkraft kann in zwei Komponenten zerlegt werden – Auftrieb, der vertikal nach oben wirkt, und Schub, der horizontal in Flugrichtung wirkt. Zusätzlich zu Auftrieb und Schub gibt es Gewicht (die nach unten wirkende Kraft) und Widerstand (die Kraft, die der Bewegung eines Tragflügels durch die Luft entgegenwirkt).
Beim geraden, unbeschleunigten Vorwärtsflug (der gerade Flug ist ein Flug mit konstantem Kurs und konstanter Höhe) entspricht der Auftrieb dem Gewicht und der Schub dem Luftwiderstand. Wenn der Auftrieb das Gewicht übersteigt, beschleunigt der Hubschrauber vertikal, bis die Kräfte im Gleichgewicht sind; Wenn der Schub geringer ist als der Luftwiderstand, wird der Hubschrauber langsamer, bis die Kräfte ausgeglichen sind. Wenn ein Hubschrauber eine Vorwärtsbewegung einleitet, beginnt er an Höhe zu verlieren, da der Auftrieb verloren geht, wenn der Schub nach vorne umgeleitet wird. Wenn der Helikopter jedoch aus dem Schwebeflug zu beschleunigen beginnt, wird die Rotorscheibe aufgrund des Translationsauftriebs effizienter. Das Ergebnis ist ein Überschuss an Energie gegenüber dem, was zum Schweben erforderlich ist.
Eine fortgesetzte Beschleunigung bewirkt eine noch stärkere Zunahme des Luftstroms durch die Rotorscheibe (bis zu einem Maximum, das durch den Luftwiderstand und die Leistungsgrenze des Motors bestimmt wird). und effizienteres Fliegen. Um einen unbeschleunigten Flug aufrechtzuerhalten, muss der Pilot verstehen, dass der Hubschrauber bei jeder Änderung der Leistung oder der zyklischen Bewegung entweder zu steigen oder zu sinken beginnt. Sobald ein Geradeausflug erreicht ist, sollte der Pilot die erforderliche Leistung (Drehmomenteinstellung) notieren und keine größeren Anpassungen an den Flugsteuerungen vornehmen.
Luftstrom im Vorwärtsflug
Der Luftstrom über die Rotorscheibe im Vorwärtsflug unterscheidet sich vom Luftstrom beim Schweben. Beim Vorwärtsflug strömt die Luft entgegengesetzt zur Flugbahn des Flugzeugs. Die Geschwindigkeit dieses Luftstroms entspricht der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers. Da sich die Rotorblätter in einem kreisförmigen Muster drehen, hängt die Geschwindigkeit des Luftstroms über ein Blatt von der Position des Blatts in der Rotationsebene zu einem bestimmten Zeitpunkt, seiner Rotationsgeschwindigkeit und der Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers ab.
Daher variiert der Luftstrom, der auf jede Schaufel trifft, kontinuierlich, wenn sich die Schaufel dreht. Die höchste Geschwindigkeit des Luftstroms tritt über der rechten Seite (3-Uhr-Position) des Hubschraubers auf (vorrückendes Blatt in einer gegen den Uhrzeigersinn drehenden Rotorscheibe) und nimmt über der Nase auf Rotationsgeschwindigkeit ab. Sie nimmt weiter ab, bis die niedrigste Geschwindigkeit des Luftstroms über der linken Seite (9-Uhr-Position) des Hubschraubers (Rückzugsblatt) auftritt. Wenn sich das Blatt weiter dreht, steigt die Geschwindigkeit des Luftstroms dann auf die Rotationsgeschwindigkeit über dem Heck an. Sie steigt weiter an, bis sich die Klinge wieder in der 3-Uhr-Position befindet.
Das vorrückende Blatt in Abbildung, Position A, bewegt sich in die gleiche Richtung wie der Hubschrauber. Die Geschwindigkeit der Luft, die auf dieses Blatt trifft, ist gleich der Rotationsgeschwindigkeit des Blattes plus der Windgeschwindigkeit, die sich aus der Vorwärtsfluggeschwindigkeit ergibt. Das sich zurückziehende Blatt (Position C) bewegt sich in einem Luftstrom, der sich in die entgegengesetzte Richtung des Hubschraubers bewegt.
Die Geschwindigkeit des auf dieses Blatt treffenden Luftstroms ist gleich der Rotationsgeschwindigkeit des Blatts minus der Windgeschwindigkeit, die sich aus der Vorwärtsfluggeschwindigkeit ergibt. Die Blätter (Positionen B und D) über der Nase und dem Heck bewegen sich im Wesentlichen rechtwinklig zum Luftstrom, der durch die Vorwärtsfluggeschwindigkeit erzeugt wird; Die Geschwindigkeit des Luftstroms, der auf diese Blätter trifft, ist gleich der Rotationsgeschwindigkeit. Dies führt zu einer Änderung der Geschwindigkeit des Luftstroms über die gesamte Rotorscheibe und zu einer Änderung des Auftriebsmusters der Rotorscheibe.
Vorrückende Klinge
Wenn die relative Windgeschwindigkeit des vorrückenden Blattes zunimmt, gewinnt das Blatt an Auftrieb und beginnt nach oben zu schlagen. Er erreicht seine maximale Aufwärtsschlaggeschwindigkeit in der 3-Uhr-Position, wo die Windgeschwindigkeit am größten ist. Dieser Aufwärtsschlag erzeugt einen Luftstrom nach unten und hat die gleiche Wirkung wie eine Erhöhung der induzierten Strömungsgeschwindigkeit, indem dem relativen Wind ein nach unten gerichteter vertikaler Geschwindigkeitsvektor aufgeprägt wird, der die AOA verringert.
Rückzugsklinge
Wenn die relative Windgeschwindigkeit des sich zurückziehenden Blattes abnimmt, verliert das Blatt an Auftrieb und beginnt nach unten zu flattern. Es erreicht seine maximale Abwärtsklappengeschwindigkeit in der 9-Uhr-Position, wo die Windgeschwindigkeit am geringsten ist. Diese Abwärtsklappe erzeugt einen Luftstrom nach oben und hat die gleiche Wirkung wie das Verringern der induzierten Strömungsgeschwindigkeit, indem dem relativen Wind ein vertikaler Vektor der Aufwärtsgeschwindigkeit aufgeprägt wird, der die AOA erhöht.
Dissymmetrie des Auftriebs
Die Dissymmetrie des Auftriebs ist der unterschiedliche (ungleiche) Auftrieb zwischen vorrückenden und zurückweichenden Hälften der Rotorscheibe, der durch die unterschiedliche Windströmungsgeschwindigkeit über jede Hälfte verursacht wird. Dieser Auftriebsunterschied würde dazu führen, dass der Hubschrauber in jeder Situation unkontrollierbar wäre, außer wenn er bei ruhigem Wind schwebt. Es muss ein Mittel zum Kompensieren, Korrigieren oder Eliminieren dieses ungleichen Auftriebs geben, um eine Symmetrie des Auftriebs zu erreichen.
Wenn sich der Hubschrauber durch die Luft bewegt, ist der relative Luftstrom durch die Hauptrotorscheibe auf der vorrückenden Seite anders als auf der zurückweichenden Seite. Der relative Wind, auf den das vorrückende Blatt trifft, wird durch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers erhöht, während die relative Windgeschwindigkeit, die auf das sich zurückziehende Blatt wirkt, durch die Vorwärtsfluggeschwindigkeit des Hubschraubers verringert wird. Daher kann die vorlaufende Blattseite der Rotorscheibe aufgrund der relativen Windgeschwindigkeit mehr Auftrieb erzeugen als die zurücklaufende Blattseite.
Wenn diese Bedingung bestehen würde, würde ein Hubschrauber mit einer Hauptrotorblattdrehung gegen den Uhrzeigersinn aufgrund des Unterschieds im Auftrieb nach links rollen. In Wirklichkeit flattern und federn die Hauptrotorblätter automatisch, um den Auftrieb über der Rotorscheibe auszugleichen. Gelenkige Rotorscheiben, normalerweise mit drei oder mehr Blättern, enthalten ein horizontales Scharnier (Schlagscharnier), damit sich die einzelnen Rotorblätter bewegen oder beim Drehen nach oben und unten schlagen können. Eine halbstarre Rotorscheibe (zwei Blätter) verwendet ein wippendes Scharnier, das es den Blättern ermöglicht, als Einheit zu schlagen. Wenn ein Blatt nach oben schlägt, schlägt das andere Blatt nach unten.
Wie in Abbildung gezeigt, erreicht das Rotorblatt, wenn es die vorlaufende Seite der Rotorscheibe (A) erreicht, seine maximale Aufwärtsschlaggeschwindigkeit. Wenn das Blatt nach oben schlägt, nimmt der Winkel zwischen der Sehnenlinie und dem resultierenden relativen Wind ab. Dies verringert die AOA, was den vom Blatt erzeugten Auftrieb verringert. An Position (C) hat das Rotorblatt nun seine maximale Schlaggeschwindigkeit nach unten. Aufgrund des Abwärtsschlagens vergrößert sich der Winkel zwischen der Sehnenlinie und dem resultierenden relativen Wind. Dies erhöht den AOA und damit den vom Blatt erzeugten Auftrieb.
Die Kombination aus Blattschlag und langsamem Relativwind, der auf das sich zurückziehende Blatt wirkt, begrenzt normalerweise die maximale Vorwärtsgeschwindigkeit eines Hubschraubers. Bei einer hohen Vorwärtsgeschwindigkeit blockiert das sich zurückziehende Blatt aufgrund einer hohen AOA und einer langsamen relativen Windgeschwindigkeit. Diese Situation wird als Strömungsabriss des sich zurückziehenden Blattes bezeichnet und zeigt sich durch eine nach oben gerichtete Nase, Vibrationen und eine Rolltendenz - normalerweise nach links bei Hubschraubern mit Blattrotation gegen den Uhrzeigersinn.
Piloten können einen Strömungsabriss des Rotorblatts vermeiden, indem sie die nie überschrittene Geschwindigkeit nicht überschreiten. Diese Geschwindigkeit wird als VNE bezeichnet und ist auf einer Plakette angegeben und auf dem Geschwindigkeitsanzeiger durch eine rote Linie gekennzeichnet.
Blattschlagen kompensiert die Asymmetrie des Auftriebs auf folgende Weise. Beim Schweben wird um die Rotorscheibe mit gleichem Pitch (AOI) auf allen Blättern und an allen Punkten in der Rotorscheibe ein gleicher Auftrieb erzeugt (ohne Berücksichtigung des Ausgleichs der Translationstendenz). Die Rotorscheibe ist parallel zum Horizont. Um eine Schubkraft zu entwickeln, muss die Rotorscheibe in die gewünschte Bewegungsrichtung gekippt werden. Zyklisches Federn ändert den Einfallswinkel differentiell um die Rotorscheibe herum. Bei einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn verringert die zyklische Vorwärtsbewegung den Anstellwinkel auf der rechten Seite der Rotorscheibe und vergrößert ihn auf der linken Seite.
Beim Übergang in den Vorwärtsflug entweder aus dem Schwebeflug oder beim Abheben vom Boden müssen sich die Piloten bewusst sein, dass mit zunehmender Hubschraubergeschwindigkeit der Translationsauftrieb effektiver wird und die Nase anhebt oder aufrichtet (manchmal als Rückstoß bezeichnet). Diese Tendenz wird durch die kombinierten Wirkungen der Asymmetrie von Auftrieb und Querströmung verursacht. Piloten müssen diese Tendenz korrigieren, indem sie eine konstante Rotorscheibenlage beibehalten, die den Hubschrauber durch den Geschwindigkeitsbereich bewegt, in dem ein Rückstoß auftritt. Wenn die Nase beim Durchlaufen dieses Geschwindigkeitsbereichs nach oben geneigt werden darf, kann das Flugzeug auch dazu neigen, nach rechts zu rollen. Um diese Tendenz zu korrigieren, muss der Pilot den Zykliker kontinuierlich vorwärts bewegen, wenn die Geschwindigkeit des Hubschraubers zunimmt, bis der Start abgeschlossen ist und der Hubschrauber in den Vorwärtsflug übergegangen ist.
Abbildung verdeutlicht das Vorkippen der Rotorscheibe, das durch eine Änderung des Nickwinkels mit Vorwärtstakt entsteht. Beim Schweben ist der Kreisel zentriert und der Neigungswinkel an den vorrückenden und zurückziehenden Blättern ist gleich. Bei niedrigen Vorwärtsgeschwindigkeiten reduziert das Bewegen des zyklischen Vorwärts den Anstellwinkel an dem vorrückenden Blatt und erhöht den Anstellwinkel an dem sich zurückziehenden Blatt. Dadurch entsteht eine leichte Neigung der Rotorscheibe. Bei höheren Vorwärtsgeschwindigkeiten muss der Pilot das Fahrrad weiter vorwärts bewegen. Dadurch wird der Anstellwinkel am vorlaufenden Blatt weiter verringert und der Anstellwinkel am zurücklaufenden Blatt weiter erhöht. Dadurch wird die Rotorscheibe noch stärker geneigt als bei niedrigeren Drehzahlen.
Eine horizontale Auftriebskomponente (Schub) erzeugt eine höhere Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers. Die höhere Fluggeschwindigkeit induziert Blattschlagen, um die Symmetrie des Auftriebs aufrechtzuerhalten. Die Kombination aus Schlagen und zyklischem Federn hält die Symmetrie des Auftriebs und die gewünschte Fluglage auf der Rotorscheibe und dem Helikopter aufrecht.
Translationaler Auftrieb
Der verbesserte Rotorwirkungsgrad, der sich aus dem Richtungsflug ergibt, wird als Translationsauftrieb bezeichnet. Die Effizienz der schwebenden Rotorscheibe wird mit jedem Knoten ankommendem Wind, der durch horizontale Bewegung des Flugzeugs oder Oberflächenwind gewonnen wird, erheblich verbessert. Wenn der ankommende Wind, der durch Flugzeugbewegungen oder Oberflächenwind erzeugt wird, in die Rotorscheibe eintritt, bleiben Turbulenzen und Wirbel zurück und die Luftströmung wird horizontaler. Außerdem wird der Heckrotor beim Übergang vom Schwebe- in den Vorwärtsflug aerodynamisch effizienter. Die Abbildungen zeigen die unterschiedlichen Luftströmungsmuster bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und wie sich die Luftströmung auf die Effizienz des Heckrotors auswirkt.
Effektiver translationaler Lift (ETL)
Beim Übergang in den Vorwärtsflug bei etwa 16 bis 24 Knoten durchläuft der Hubschrauber einen effektiven Translationsauftrieb (ETL). Wie bereits in der Diskussion über den Translationsauftrieb erwähnt, werden die Rotorblätter effizienter, wenn die Vorwärtsfluggeschwindigkeit zunimmt. Zwischen 16 und 24 Knoten läuft die Rotorscheibe der Rezirkulation alter Wirbel vollständig aus und beginnt in relativ ungestörter Luft zu arbeiten. Der Luftstrom durch die Rotorscheibe ist horizontaler, was die induzierte Strömung und den Luftwiderstand mit einem entsprechenden Anstieg des Befestigungs- und Auftriebswinkels verringert. Der bei dieser Geschwindigkeit verfügbare zusätzliche Auftrieb wird als ETL bezeichnet, wodurch die Rotorscheibe effizienter arbeitet. Diese erhöhte Effizienz setzt sich mit erhöhter Fluggeschwindigkeit fort, bis die beste Steigfluggeschwindigkeit erreicht ist und der Gesamtwiderstand an seinem niedrigsten Punkt ist.
Mit zunehmender Geschwindigkeit wird der Translationsauftrieb effektiver, die Nase steigt oder neigt sich nach oben und das Flugzeug rollt nach rechts. Die kombinierten Wirkungen der Auftriebsdissymmetrie, der gyroskopischen Präzession und des Querströmungseffekts verursachen diese Tendenz. Es ist wichtig, diese Effekte zu verstehen und sie zu korrigieren. Sobald der Helikopter durch die ETL übergeht, muss der Pilot einen zyklischen Vorwärts- und Linksseiteneingang anwenden, um eine konstante Rotor-Scheiben-Lage aufrechtzuerhalten.
Translationsschub
Translationsschub tritt auf, wenn der Heckrotor während des Übergangs vom Schwebeflug zum Vorwärtsflug aerodynamisch effizienter wird. Da der Heckrotor in zunehmend weniger turbulenter Luft arbeitet, erzeugt dieser verbesserte Wirkungsgrad mehr Antidrehmomentschub, was dazu führt, dass die Nase des Flugzeugs nach links giert (mit einem Hauptrotor, der sich gegen den Uhrzeigersinn dreht) und den Piloten zwingt, das rechte Pedal zu betätigen (was den AOA in der Heckrotorblätter) als Reaktion. Zusätzlich beeinflußt während dieser Zeit der Luftstrom die horizontalen Komponenten des Stabilisators, der bei den meisten Hubschraubern zu finden ist, was dazu neigt, die Nase des Hubschraubers in eine flachere Lage zu bringen.
Induzierter Fluss
Wenn sich die Rotorblätter drehen, erzeugen sie den sogenannten Rotationsrelativwind. Dieser Luftstrom ist dadurch gekennzeichnet, dass er parallel und entgegengesetzt zur Rotationsebene des Rotors strömt und senkrecht auf die Vorderkante des Rotorblatts trifft. Dieser rotierende relative Wind wird verwendet, um Auftrieb zu erzeugen. Wenn Rotorblätter Auftrieb erzeugen, wird Luft über die Folie beschleunigt und nach unten geschleudert. Jedes Mal, wenn ein Hubschrauber Auftrieb erzeugt, bewegt er große Luftmassen vertikal und nach unten durch die Rotorscheibe. Dieser Abwind oder induzierte Fluss kann den Wirkungsgrad der Rotorscheibe erheblich verändern. Rotations-Relativwind verbindet sich mit induzierter Strömung, um den resultierenden Relativwind zu bilden. Wenn die induzierte Strömung zunimmt, wird der resultierende relative Wind weniger horizontal. Da AOA bestimmt wird, indem die Differenz zwischen der Sehnenlinie und dem resultierenden relativen Wind gemessen wird,
Querströmungseffekt
Wenn der Helikopter im Vorwärtsflug beschleunigt, fällt die induzierte Strömung im vorderen Scheibenbereich auf nahezu Null ab und nimmt im hinteren Scheibenbereich zu. Diese Auftriebsunterschiede zwischen den vorderen und hinteren Abschnitten der Rotorscheibe werden als Querströmungseffekt bezeichnet. Dies erhöht die AOA im vorderen Scheibenbereich, wodurch das Rotorblatt nach oben schlägt, und verringert die AOA im hinteren Scheibenbereich, wodurch das Rotorblatt nach unten schlägt. Da der Rotor wie ein Kreisel wirkt, erfolgt die maximale Auslenkung um 90° in Drehrichtung. Das Ergebnis ist eine Neigung des Helikopters, leicht nach rechts zu rollen, wenn er um etwa 20 Knoten beschleunigt oder wenn der Gegenwind etwa 20 Knoten beträgt.
Der Querströmungseffekt wird durch erhöhte Vibrationen des Hubschraubers bei Fluggeschwindigkeiten um 12 bis 15 Knoten erkannt und kann durch Vorwärtsflug oder durch den Wind im Schwebeflug erzeugt werden. Diese Vibration tritt bei einer Fluggeschwindigkeit knapp unter ETL beim Start und nach dem Passieren von ETL während der Landung auf. Die Vibration tritt in der Nähe der gleichen Fluggeschwindigkeit wie ETL auf, weil dann das größte Auftriebsdifferential zwischen dem vorderen und hinteren Teil des Rotorsystems besteht. Daher verwechseln einige Piloten die durch den Querströmungseffekt empfundene Vibration mit dem Durchgang durch ETL. Um dem Querströmungseffekt entgegenzuwirken, kann ein zyklischer Eingang nach links erforderlich sein.
