Hubschrauberstrukturen

Die Strukturen des Helikopters sind darauf ausgelegt, dem Helikopter seine einzigartigen Flugeigenschaften zu verleihen. Eine vereinfachte Erklärung dafür, wie ein Hubschrauber fliegt, ist, dass die Rotoren rotierende Tragflächen sind, die einen Auftrieb ähnlich der Art und Weise bieten, wie die Flügel einen Auftrieb bei einem Starrflügler erzeugen. Luft strömt schneller über die gekrümmte Oberseite der Rotoren, erzeugt einen Unterdruck und hebt somit das Flugzeug an. Durch Veränderung des Anstellwinkels der rotierenden Blätter wird der Auftrieb erhöht oder verringert bzw. der Helikopter angehoben oder abgesenkt. Durch Kippen der Rotationsebene des Rotors bewegt sich das Flugzeug horizontal. Abbildung zeigt die Hauptkomponenten eines typischen Hubschraubers.

Flugzeugzelle Die Flugzeugzelle oder grundlegende Struktur eines Hubschraubers kann entweder aus Metall- oder Holzverbundwerkstoffen oder einer Kombination aus beiden bestehen. Typischerweise besteht eine Verbundkomponente aus vielen Schichten von faserimprägnierten Harzen, die zu einer glatten Platte verbunden sind. Rohr- und Blechunterkonstruktionen bestehen meist aus Aluminium, in Bereichen mit höherer Beanspruchung oder Hitze kommen aber auch Edelstahl oder Titan zum Einsatz. Das Flugzeugzellendesign umfasst Engineering, Aerodynamik, Materialtechnologie und Herstellungsmethoden, um ein günstiges Gleichgewicht zwischen Leistung, Zuverlässigkeit und Kosten zu erreichen.

Rumpf 

Wie bei Starrflügelflugzeugen sind Hubschrauberrümpfe und Heckausleger häufig Fachwerk- oder Semimonocoque-Strukturen mit Stress-Skin-Design. Üblicherweise werden Stahl- und Aluminiumrohre, geformtes Aluminium und Aluminiumhaut verwendet. Das moderne Hubschrauberrumpfdesign beinhaltet auch eine zunehmende Verwendung von fortschrittlichen Verbundwerkstoffen. Firewalls und Motordecks sind normalerweise aus Edelstahl. Hubschrauberrümpfe variieren stark von denen mit einem Fachwerkrahmen, zwei Sitzen, ohne Türen und einem Flugabteil mit Monocoque-Schale bis zu denen mit vollständig geschlossenen Kabinen im Flugzeugstil, wie sie bei größeren zweimotorigen Hubschraubern zu finden sind. Die multidirektionale Natur des Hubschrauberflugs macht eine weitreichende Sicht aus dem Cockpit unerlässlich. Große, geformte Windschutzscheiben aus Polycarbonat, Glas oder Plexiglas sind üblich. 

Fahrwerk oder Kufen 

Wie bereits erwähnt, kann das Fahrwerk eines Hubschraubers einfach ein Satz röhrenförmiger Metallkufen sein. Viele Helikopter haben Fahrwerke mit Rädern, einige davon einziehbar.  

Triebwerk und Getriebe 

Die beiden am häufigsten in Hubschraubern verwendeten Triebwerkstypen sind der Hubkolbenmotor und der Turbinenmotor. Hubkolbenmotoren, auch Kolbenmotoren genannt, werden im Allgemeinen in kleineren Hubschraubern verwendet. Die meisten Trainingshubschrauber verwenden Hubkolbenmotoren, da sie relativ einfach und kostengünstig zu bedienen sind. Eine detaillierte Erklärung und Abbildungen des Kolbenmotors finden Sie im Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge.

Turbinentriebwerke 

Turbinentriebwerke sind leistungsstärker und werden in einer Vielzahl von Hubschraubern eingesetzt. Sie erzeugen für ihre Größe eine enorme Menge an Strom, sind aber im Allgemeinen teurer im Betrieb. Das in Hubschraubern verwendete Turbinentriebwerk arbeitet anders als das in Flugzeuganwendungen verwendete. Bei den meisten Anwendungen setzen die Abgasauslässe einfach verbrauchte Gase frei und tragen nicht zur Vorwärtsbewegung des Hubschraubers bei. Da der Luftstrom nicht wie bei Strahltriebwerken geradlinig durchströmt und nicht zum Vortrieb genutzt wird, ist die Kühlwirkung der Luft begrenzt. Etwa 75 Prozent des einströmenden Luftstroms werden zur Kühlung des Motors verwendet.

Das an den meisten Hubschraubern montierte Gasturbinentriebwerk besteht aus einem Kompressor, einer Brennkammer, einer Turbine und einer Zubehörgetriebebaugruppe. Der Kompressor saugt gefilterte Luft in die Plenumkammer und komprimiert sie. Gängige Filter sind Zentrifugalwirbelrohre, bei denen Schmutz nach außen ausgestoßen und über Bord geblasen wird, bevor sie in den Kompressor gelangen, oder Motorsperrfilter (EBF), ein Papierelementfilter, der in einem Rahmen mit einem Sieb/Gitter über dem Einlass eingeschlossen ist, und normalerweise mit einem Öl bestrichen. Dieses Design reduziert die Aufnahme von Fremdkörperresten (FOD) erheblich. Die komprimierte Luft wird durch Auslassrohre zum Verbrennungsabschnitt geleitet, wo zerstäubter Kraftstoff eingespritzt wird. Das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird gezündet und expandieren gelassen. Dieses Verbrennungsgas wird dann durch eine Reihe von Turbinenrädern gepresst, wodurch sie sich drehen. Diese Turbinenräder versorgen sowohl den Motorkompressor als auch das Zubehörgetriebe mit Strom. Je nach Modell und Hersteller kann der Drehzahlbereich von einem unteren Bereich von 20.000 bis zu einem oberen Bereich von 51.600 variieren.

Die Hauptrotor- und Heckrotorsysteme werden über die Freilaufeinheit mit Strom versorgt, die an der Leistungsabtriebszahnradwelle des Zubehörgetriebes befestigt ist. Das Verbrennungsgas wird schließlich durch einen Abgasauslass ausgestoßen. Die Gastemperatur wird an verschiedenen Stellen gemessen und von jedem Hersteller anders bezeichnet. Einige gebräuchliche Begriffe sind: Zwischenturbinentemperatur (ITT), Abgastemperatur (EGT) oder Turbinenauslasstemperatur (TOT). Der Einfachheit halber wird in dieser Diskussion TOT verwendet.

Übertragung 

Das Übertragungssystem überträgt unter normalen Flugbedingungen die Leistung vom Motor auf den Hauptrotor, den Heckrotor und andere Zubehörteile. Die Hauptkomponenten des Getriebesystems sind Hauptrotorgetriebe, Heckrotorantriebssystem, Kupplung und Freilaufeinheit. Die Freilaufeinheit oder autorotative Kupplung ermöglicht es dem Hauptrotorgetriebe, die Heckrotorantriebswelle während der Autorotation anzutreiben. Helikoptergetriebe werden normalerweise mit einer eigenen Ölversorgung geschmiert und gekühlt. Zur Kontrolle des Ölstandes ist ein Schauglas vorgesehen. Einige Getriebe haben Chip-Detektoren, die sich im Sumpf befinden. Diese Detektoren sind mit Warnleuchten verdrahtet, die sich auf dem Instrumentenbrett des Piloten befinden und im Falle eines internen Problems aufleuchten. Einige Chip-Detektoren in modernen Hubschraubern haben eine „Burn-off“-Fähigkeit und versuchen, die Situation ohne Eingreifen des Piloten zu korrigieren. Wenn das Problem nicht selbst behoben werden kann, muss der Pilot die Notfallverfahren für diesen speziellen Hubschrauber beachten. 

Hauptrotorsystem 

Das Rotorsystem ist der rotierende Teil eines Hubschraubers, der Auftrieb erzeugt. Der Rotor besteht aus Mast, Nabe und Rotorblättern. Der Mast ist eine zylindrische Metallwelle, die sich von dem Getriebe nach oben erstreckt und von diesem angetrieben und manchmal getragen wird. An der Spitze des Mastes befindet sich der Befestigungspunkt für die Rotorblätter, der Nabe genannt wird. Die Rotorblätter werden dann auf verschiedene Weise an der Nabe befestigt. Hauptrotorsysteme werden danach klassifiziert, wie die Hauptrotorblätter befestigt sind und sich relativ zur Hauptrotornabe bewegen. Es gibt drei grundlegende Klassifikationen: starr, halbstarr oder vollständig artikuliert.

Starres Rotorsystem 

Am einfachsten ist das starre Rotorsystem. Bei diesem System sind die Rotorblätter starr an der Hauptrotornabe befestigt und können nicht frei hin und her gleiten (ziehen) oder sich auf und ab bewegen (Klappe). Die dazu tendierenden Kräfte der Rotorblätter werden durch die flexiblen Eigenschaften des Blattes aufgenommen. Die Blattsteigung kann jedoch durch Drehung um die Achse in Spannweitenrichtung über die Federscharniere eingestellt werden.

Halbstarres Rotorsystem 

Das halbstarre Rotorsystem in Abbildung verwendet ein wippendes Scharnier am Blattbefestigungspunkt. Während es verhindert, dass es hin und her rutscht, ermöglicht das Wippenscharnier, dass die Klingen nach oben und unten schlagen. Wenn bei diesem Scharnier ein Flügel nach oben schlägt, klappt der andere nach unten.

Das Flattern wird durch ein Phänomen verursacht, das als Auftriebsdissymmetrie bekannt ist. Wenn die Rotationsebene der Rotorblätter geneigt wird und der Hubschrauber beginnt, sich vorwärts zu bewegen, werden ein vorrückendes Blatt und ein zurückweichendes Blatt eingerichtet (bei Zweiblattsystemen). Die relative Windgeschwindigkeit ist bei einem vorrückenden Blatt größer als bei einem sich zurückziehenden Blatt. Dadurch wird am vorrückenden Blatt ein größerer Auftrieb entwickelt, wodurch es ansteigt oder flattert. Wenn die Blattrotation den Punkt erreicht, an dem das Blatt zum sich zurückziehenden Blatt wird, geht der zusätzliche Auftrieb verloren und das Blatt flattert nach unten.

Voll artikuliertes Rotorsystem 

Vollständig gelenkige Rotorblattsysteme bieten Scharniere, die es den Rotoren ermöglichen, sich nach vorn und hinten sowie nach oben und unten zu bewegen. Diese Lead-Lag-, Schlepp- oder Jagdbewegung, wie sie genannt wird, ist eine Reaktion auf den Coriolis-Effekt bei Drehzahländerungen. Beim ersten Drehen hinken die Schaufeln nach, bis die Zentrifugalkraft vollständig entwickelt ist. Nach der Drehung führt eine Verringerung der Drehzahl dazu, dass die Blätter der Hauptrotornabe voreilen, bis die Kräfte ausgeglichen sind. Ständige Schwankungen der Rotorblattdrehzahlen führen zum „Hängen“ der Blätter. Sie können dies in einem voll beweglichen System tun, da sie am vertikalen Schleppscharnier montiert sind.

Ein oder mehrere horizontale Scharniere sorgen für das Schlagen eines voll gelenkigen Rotorsystems. Außerdem ermöglicht das Flügelscharnier Änderungen der Blattneigung, indem es eine Drehung um die Achse in Spannweitenrichtung zulässt. Verschiedene Dämpfer und Anschläge sind bei verschiedenen Designs zu finden, um Stöße zu reduzieren und den Hub in bestimmte Richtungen zu begrenzen. Abbildung zeigt ein voll gegliedertes Hauptrotorsystem mit den besprochenen Merkmalen.

Es gibt zahlreiche Konstruktionen und Variationen der drei Arten von Hauptrotorsystemen. Ingenieure suchen ständig nach Möglichkeiten, Vibrationen und Geräusche zu reduzieren, die durch die rotierenden Teile des Hubschraubers verursacht werden. Zu diesem Zweck nimmt die Verwendung von Elastomerlagern in Hauptrotorsystemen zu. Diese Polymerlager haben die Fähigkeit, sich zu verformen und in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Als solche können sie Vibrationen absorbieren, die normalerweise von Stahllagern übertragen würden. Sie benötigen auch keine regelmäßige Schmierung, was den Wartungsaufwand reduziert.

Einige Hauptrotoren moderner Hubschrauber wurden mit Biegeelementen konstruiert. Dies sind Naben und Nabenkomponenten, die aus fortschrittlichen Verbundwerkstoffen hergestellt werden. Sie sind so konzipiert, dass sie die Kräfte des Blade-Hanging und der Asymmetrie des Auftriebs durch Biegung aufnehmen. Daher können viele Scharniere und Lager aus dem herkömmlichen Hauptrotorsystem eliminiert werden. Das Ergebnis ist ein einfacherer Rotormast mit geringerem Wartungsaufwand aufgrund weniger beweglicher Teile. Häufig beinhalten Konstruktionen, die Biegeelemente verwenden, elastomere Lager.

Antitorque-System 

Normalerweise haben Hubschrauber zwischen zwei und sieben Hauptrotorblättern. Diese Rotoren bestehen üblicherweise aus einer Verbundstruktur. Die große rotierende Masse der Hauptrotorblätter eines Hubschraubers erzeugt ein Drehmoment. Dieses Drehmoment steigt mit der Motorleistung und versucht, den Rumpf in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Heckausleger und Heckrotor bzw. Antitorquerotor wirken diesem Drehmomenteffekt entgegen. Gesteuert mit Fußpedalen muss das Gegenmoment des Heckrotors moduliert werden, wenn sich die Motorleistung ändert. Dies geschieht durch Veränderung der Anstellwinkel der Heckrotorblätter. Dies wiederum ändert die Höhe des Gegendrehmoments, und das Flugzeug kann um seine vertikale Achse gedreht werden, wodurch der Pilot die Richtung steuern kann, in die der Hubschrauber zeigt.

Ähnlich wie ein Seitenleitwerk am Leitwerk eines Flugzeugs ist auch bei Drehflüglern eine Seitenflosse oder ein Pylon üblich. Normalerweise trägt es die Heckrotorbaugruppe, obwohl einige Heckrotoren am Heckkonus des Auslegers montiert sind. Zusätzlich wird häufig ein als Stabilisator bezeichnetes horizontales Element am Heckkonus oder am Pylon konstruiert.

Ein Fenestron® ist ein einzigartiges Heckrotor-Design, das eigentlich ein im vertikalen Pylon montierter mehrflügeliger Impeller ist. Es funktioniert genauso wie ein gewöhnlicher Heckrotor und liefert seitlichen Schub, um dem von den Hauptrotoren erzeugten Drehmoment entgegenzuwirken. 

Ein NOTAR® Antitorque-System hat keinen sichtbaren Rotor, der am Heckausleger montiert ist. Stattdessen befindet sich im Heckausleger ein motorgetriebener Regellüfter. NOTAR® ist ein Akronym, das für „kein Heckrotor“ steht. Wenn sich die Drehzahl des Hauptrotors ändert, ändert sich die Drehzahl des NOTAR®-Lüfters. Luft wird aus zwei langen Schlitzen auf der rechten Seite des Heckauslegers entlüftet, wobei die Hauptrotorwäsche mitgerissen wird, um die rechte Seite des Heckauslegers zu umarmen, was wiederum eine laminare Strömung und einen niedrigen Druck verursacht (Coanda-Effekt). Dieser Unterdruck bewirkt eine Kraft, die dem vom Hauptrotor erzeugten Drehmoment entgegenwirkt. Zusätzlich wird der Rest der Luft vom Lüfter durch den Heckausleger zu einer Entlüftung auf der hinteren linken Seite des Auslegers geleitet, wo er ausgestoßen wird. Diese Aktion nach links verursacht eine entgegengesetzte Reaktion nach rechts, was die Richtung ist, die benötigt wird, um dem Hauptrotordrehmoment entgegenzuwirken.

Kontrollen 

Die Steuerung eines Hubschraubers unterscheidet sich geringfügig von der eines Flugzeugs. Das vom Piloten mit der linken Hand bediente Kollektiv wird nach oben gezogen oder nach unten gedrückt, um den Anstellwinkel an allen Rotorblättern gleichzeitig zu vergrößern oder zu verkleinern. Dies erhöht oder verringert den Auftrieb und bewegt das Flugzeug nach oben oder unten. Die Motorgassteuerung befindet sich am Handgriff am Ende des Kollektivs. Der Steuerknüppel ist der Steuerknüppel zwischen den Beinen des Piloten. Es kann in jede Richtung bewegt werden, um die Rotationsebene der Rotorblätter zu neigen. Dies bewirkt, dass sich der Helikopter in die Richtung bewegt, in die der Zykliker bewegt wird. Wie bereits erwähnt, steuern die Fußpedale die Anstellung der Heckrotorblätter, wodurch das Drehmoment des Hauptrotors ausgeglichen wird. Die Figuren veranschaulichen die Steuerungen, die in einem typischen Hubschrauber zu finden sind.