Hubschrauber: Tragfläche
Hubschrauber können aufgrund aerodynamischer Kräfte fliegen, die entstehen, wenn Luft um das Tragflächenprofil herumströmt. Ein Tragflügel ist jede Oberfläche, die mehr Auftrieb als Luftwiderstand erzeugt, wenn sie in einem geeigneten Winkel durch die Luft strömt. Flügel werden am häufigsten mit der Erzeugung von Auftrieb in Verbindung gebracht.
Tragflächen werden auch für Stabilität (Flosse), Steuerung (Aufzug) und Schub oder Antrieb (Propeller oder Rotor) verwendet. Bestimmte Tragflächen, wie z. B. Rotorblätter, vereinen einige dieser Funktionen. Die Haupt- und Heckrotorblätter des Hubschraubers sind Tragflächen, und Luft wird durch mechanisch angetriebene Rotation gezwungen, um die Blätter herum zu strömen. Unter bestimmten Bedingungen können Teile des Rumpfes, wie z. B. die vertikalen und horizontalen Stabilisatoren, zu Tragflächen werden. Airfoils sind sorgfältig strukturiert, um einen bestimmten Satz von Flugeigenschaften aufzunehmen.
Tragflächenterminologie und Definitionen
• Blattspannweite – die Länge des Rotorblatts vom Rotationszentrum bis zur Blattspitze.
• Sehnenlinie – eine gerade Linie, die die Vorder- und Hinterkante des Schaufelblatts schneidet.
• Sehne – die Länge der Sehne von der Vorderkante zur Hinterkante; es ist die charakteristische Längsabmessung des Schaufelblattabschnitts.
• Mittlere Wölbungslinie – eine Linie, die auf halbem Weg zwischen der oberen und unteren Oberfläche des Schaufelblatts gezogen wird.
Die Sehnenlinie verbindet die Enden der mittleren Sturzlinie. Wölbung bezieht sich auf die Krümmung des Strömungsprofils und kann als Krümmung der mittleren Wölbungslinie betrachtet werden. Die Form der mittleren Wölbung ist wichtig für die Bestimmung der aerodynamischen Eigenschaften eines Schaufelblattabschnitts. Die maximale Wölbung (Verschiebung der mittleren Wölbungslinie von der Sehnenlinie) und ihre Lage helfen, die Form der mittleren Wölbungslinie zu definieren. Die Position der maximalen Wölbung und ihre Verschiebung von der Sehnenlinie werden als Bruchteile oder Prozentsätze der Grundsehnenlänge ausgedrückt. Durch Variieren des Punktes der maximalen Wölbung kann der Hersteller ein Schaufelblatt für einen bestimmten Zweck maßschneidern. Die Profildicke und die Dickenverteilung sind wichtige Eigenschaften eines Schaufelblattabschnitts.
• Vorderkante – die Vorderkante eines Flügels.
• Relativer Wind – definiert als der Luftstrom relativ zu einem Profil und wird durch die Bewegung eines Profils durch die Luft erzeugt. Dies ist der relative Rotationswind für Drehflügelflugzeuge und wird später ausführlich behandelt. Da ein induzierter Luftstrom die Geschwindigkeit der Flugbahn verändern kann, ist der relative Wind, den das Strömungsprofil erfährt, möglicherweise nicht genau entgegengesetzt zu seiner Bewegungsrichtung.
• Hinterkante – die hinterste Kante eines Strömungsprofils.
• Induzierte Strömung – die nach unten gerichtete Luftströmung durch die Rotorscheibe.
• Resultierender relativer Wind – Relativer Wind, modifiziert durch induzierte Strömung.
• AOA— der zwischen dem resultierenden relativen Wind und der Sehnenlinie gemessene Winkel.
• Einfallswinkel (AOI) – der Winkel zwischen der Sehnenlinie eines Blattes und der Rotornabe. Er wird üblicherweise als Blatteinstellwinkel bezeichnet. Bei feststehenden Flügeln, wie z. B. Seitenleitwerken oder Höhenrudern, ist der Einfallswinkel der Winkel zwischen der Sehnenlinie des Flügels und einer ausgewählten Referenzebene des Hubschraubers.
• Druckmittelpunkt – Punkt entlang der Sehnenlinie eines Strömungsprofils, durch den alle aerodynamischen Kräfte wirken sollen. Da die Drücke auf der Oberfläche eines Strömungsprofils variieren, wird ein durchschnittlicher Ort der Druckvariation benötigt. Wenn sich die AOA ändert, ändern sich diese Drücke und das Druckzentrum bewegt sich entlang der Akkordlinie.
Tragflächentypen
Symmetrisches Tragflächenprofil
Das symmetrische Schaufelblatt zeichnet sich dadurch aus, dass es identische Ober- und Unterseiten aufweist. Die mittlere Wölbungslinie und Sehnenlinie sind bei einem symmetrischen Profil gleich und erzeugen keinen Auftrieb bei Null AOA. Die meisten leichten Hubschrauber enthalten symmetrische Tragflächen in den Hauptrotorblättern.
Nicht symmetrisches Schaufelblatt (gewölbt) Das nicht symmetrische Schaufelblatt hat unterschiedliche Ober- und Unterseiten, wobei das Schaufelblatt über der Sehnenlinie stärker gekrümmt ist als darunter. Die mittlere Wölbungslinie und die Sehnenlinie sind unterschiedlich. Das asymmetrische Schaufelblattdesign kann einen nützlichen Auftrieb bei null AOA erzeugen. Ein asymmetrisches Design hat Vor- und Nachteile. Die Vorteile sind mehr Auftriebsproduktion bei einem gegebenen AOA als ein symmetrisches Design, ein verbessertes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand und bessere Strömungsabrisseigenschaften. Die Nachteile sind ein Druckmittelpunktweg von bis zu 20 Prozent der Sehnenlinie (wodurch ein unerwünschtes Drehmoment an der Tragflächenstruktur erzeugt wird) und höhere Produktionskosten.
Klingendrehung
Aufgrund des Auftriebsunterschieds aufgrund unterschiedlicher relativer Rotationswindwerte entlang des Blatts sollte das Blatt mit einer Verdrehung konstruiert sein, um die innere Blattspannung zu verringern und die Auftriebskraft gleichmäßiger entlang des Blatts zu verteilen. Die Blattverwindung sorgt für höhere Steigungswinkel an der Wurzel, wo die Geschwindigkeit niedrig ist, und für niedrigere Steigungswinkel näher an der Spitze, wo die Geschwindigkeit höher ist. Dies erhöht die induzierte Luftgeschwindigkeit und Blattbelastung in der Nähe des inneren Abschnitts des Blattes.
Rotorblatt- und Nabendefinitionen
• Nabe – am Mast, der Befestigungspunkt für die Blattwurzel und die Achse, um die sich die Blätter drehen.
• Spitze – der am weitesten außen liegende Abschnitt des Rotorblatts.
• Wurzel— das innere Ende der Klinge und der Punkt, der an der Nabe ansetzt.
• Verdrehung – die Änderung des Klingeneinfalls von der Wurzel zur äußeren Klinge.
Die Winkelposition der Hauptrotorblätter (von oben gesehen, wenn sie sich um die vertikale Achse des Mastes drehen) wird von der Längsachse des Hubschraubers und normalerweise von seiner Nase aus gemessen. Die radiale Position eines Blattsegments ist der Abstand von der Nabe als Bruchteil des Gesamtabstands.
