Die meisten Hubschrauber haben einen einzigen Hauptrotor, benötigen aber einen separaten Rotor, um das Drehmoment zu überwinden. Dies wird durch einen Antidrehmomentrotor mit variablem Anstellwinkel oder einen Heckrotor erreicht. Igor Sikorsky entschied sich bei seinem Hubschrauber VS-300 für diese Bauweise, und sie ist zur anerkannten Konvention für Hubschrauberkonstruktionen geworden, auch wenn es unterschiedliche Ausführungen gibt. Von oben betrachtet drehen sich die meisten Hubschrauberrotoren gegen den Uhrzeigersinn; die Rotoren französischer und russischer Hubschrauber drehen sich im Uhrzeigersinn.
Einzelner HauptrotorBearbeiten
Bei einem Hubschrauber mit einem Hauptrotor entsteht durch die Erzeugung eines Drehmoments, wenn der Motor den Rotor dreht, ein Drehmoment-Effekt, der bewirkt, dass sich der Körper des Hubschraubers in die entgegengesetzte Richtung des Rotors dreht. Um diesen Effekt auszuschalten, muss eine Art Gegenmomentsteuerung verwendet werden, wobei eine ausreichende Leistungsreserve zur Verfügung stehen muss, damit der Hubschrauber seinen Kurs beibehalten kann und eine Giersteuerung möglich ist. Die drei heute am häufigsten verwendeten Steuerungen sind der Heckrotor, das Fenestron von Eurocopter (auch Fantail genannt) und das NOTAR von MD Helicopters.
HeckrotorBearbeiten
Der Heckrotor ist ein kleinerer Rotor, der so montiert ist, dass er am Ende des Hecks eines traditionellen einrotorigen Hubschraubers senkrecht oder nahezu senkrecht rotiert. Die Position und der Abstand des Heckrotors vom Schwerpunkt ermöglichen es ihm, Schub in eine Richtung zu entwickeln, die der Rotation des Hauptrotors entgegengesetzt ist, um dem vom Hauptrotor erzeugten Drehmoment entgegenzuwirken. Heckrotoren sind einfacher als Hauptrotoren, da sie nur eine kollektive Änderung des Anstellwinkels benötigen, um den Schub zu variieren. Die Neigung der Heckrotorblätter wird vom Piloten über die Anti-Drehmoment-Pedale eingestellt, die auch eine Richtungssteuerung ermöglichen, indem der Pilot den Hubschrauber um seine vertikale Achse drehen und so die Richtung ändern kann, in die das Fluggerät ausgerichtet ist.
Kanalgebläse
Hauptartikel: Fenestron
Fenestron und FANTAIL sind Markenzeichen für einen Kanalventilator, der am Ende des Heckauslegers des Hubschraubers montiert ist und anstelle eines Heckrotors verwendet wird. Ducted Fans haben zwischen acht und achtzehn Schaufeln, die in unregelmäßigen Abständen angeordnet sind, so dass der Lärm auf verschiedene Frequenzen verteilt wird. Das Gehäuse ist fest mit der Außenhaut des Flugzeugs verbunden und ermöglicht eine hohe Drehzahl; daher kann ein Ducted Fan kleiner sein als ein herkömmlicher Heckrotor.
Das Fenestron wurde erstmals Ende der 1960er Jahre beim zweiten Versuchsmodell der SA 340 von Sud Aviation eingesetzt und beim späteren Modell Aérospatiale SA 341 Gazelle produziert. Neben Eurocopter und seinen Vorgängermodellen wurde ein Ducted-Fan-Heckrotor auch bei dem eingestellten Militärhubschrauberprojekt RAH-66 Comanche der United States Army als FANTAIL eingesetzt.
NOTAREdit
NOTAR, ein Akronym für NO TAil Rotor, ist ein Anti-Torque-System für Hubschrauber, das die Verwendung des Heckrotors bei einem Hubschrauber überflüssig macht. Obwohl es einige Zeit gedauert hat, das Konzept zu verfeinern, ist das NOTAR-System in der Theorie einfach und erzeugt ein Antidrehmoment auf die gleiche Weise, wie ein Flügel Auftrieb entwickelt, indem er den Coandă-Effekt nutzt. Im hinteren Teil des Rumpfes, unmittelbar vor dem Heckausleger, befindet sich ein Ventilator mit variabler Steigung, der vom Hauptrotor angetrieben wird. Um die seitliche Kraft zu erzeugen, die dem vom Hauptrotor im Uhrzeigersinn erzeugten Drehmoment entgegenwirkt (von oberhalb des Hauptrotors aus gesehen), drückt das Gebläse mit verstellbarem Anstellwinkel Luft mit niedrigem Druck durch zwei Schlitze auf der rechten Seite des Heckauslegers, wodurch sich der Abwind des Hauptrotors an den Heckausleger anschmiegt und Auftrieb und damit ein gewisses Gegendrehmoment erzeugt, das proportional zur Menge des Luftstroms vom Rotorwind ist. Hinzu kommt ein Direktstrahltriebwerk, das auch für die Giersteuerung sorgt, sowie ein Leitwerk mit fester Oberfläche am Ende des Hecks, das vertikale Stabilisatoren enthält.
Die Entwicklung des NOTAR-Systems geht auf das Jahr 1975 zurück, als Ingenieure von Hughes Helicopters mit der Konzeptentwicklung begannen. Im Dezember 1981 flog Hughes zum ersten Mal eine OH-6A mit NOTAR. Ein stärker modifizierter Prototyp-Demonstrator flog erstmals im März 1986 und absolvierte erfolgreich ein fortgeschrittenes Flugtestprogramm, das das System für die künftige Anwendung in der Hubschrauberkonstruktion validierte. Derzeit gibt es drei Serienhubschrauber, die mit dem NOTAR-System ausgestattet sind und alle von MD Helicopters hergestellt werden. Diese Anti-Drehmoment-Konstruktion verbessert auch die Sicherheit, indem sie verhindert, dass Personen in den Heckrotor laufen.
Ein (gewisser) Vorläufer dieses Systems war der britische Hubschrauber Cierva W.9, ein Flugzeug aus den späten 1940er Jahren, das das Kühlgebläse seines Kolbenmotors nutzte, um Luft durch eine in den Heckausleger eingebaute Düse zu drücken und so dem Rotordrehmoment entgegenzuwirken.
SpitzendüsenBearbeiten
Der Hauptrotor kann durch Spitzendüsen angetrieben werden. Ein solches System kann durch Hochdruckluft angetrieben werden, die von einem Kompressor bereitgestellt wird. Die Luft kann mit Kraftstoff gemischt und in Staudüsen, Impulsdüsen oder Raketen verbrannt werden. Obwohl diese Methode einfach ist und die Drehmomentreaktion eliminiert, sind die bisher gebauten Prototypen weniger treibstoffsparend als herkömmliche Hubschrauber. Abgesehen von den mit unverbrannter Druckluft angetriebenen Düsen ist die sehr hohe Lärmbelastung der wichtigste Grund dafür, dass sich Rotoren mit Düsenantrieb noch nicht durchgesetzt haben. Die Forschung im Bereich der Lärmunterdrückung ist jedoch im Gange und könnte dazu beitragen, dass dieses System lebensfähig wird.
Es gibt mehrere Beispiele für Drehflügler mit Düsenantrieb. Die Percival P.74 war untermotorisiert und konnte nicht fliegen. Die Hiller YH-32 Hornet hatte gute Hebefähigkeiten, zeigte aber ansonsten schlechte Leistungen. Andere Flugzeuge nutzten Hilfsschub für den Translationsflug, so dass die Düsen abgeschaltet werden konnten, während der Rotor sich selbst drehte. Der experimentelle Fairey Jet Gyrodyne, die 48-sitzigen Fairey Rotodyne-Passagierprototypen und die McDonnell XV-1 Verbundkreiselflugzeuge flogen gut mit dieser Methode. Die vielleicht ungewöhnlichste Konstruktion dieses Typs war die Rotary Rocket Roton ATV, die ursprünglich mit einem raketenbestückten Rotor abheben sollte. Der französische Sud-Ouest Djinn verwendete unverbrannte Druckluft zum Antrieb des Rotors, was die Geräuschentwicklung minimierte und dazu beitrug, dass er als einziger Hubschrauber mit Rotorspitzenantrieb in Produktion ging. Die Hughes XH-17 verfügte über einen düsengetriebenen Rotor, der nach wie vor der größte Rotor ist, der jemals in einen Hubschrauber eingebaut wurde.
ZwillingsrotorenBearbeiten
Die Zwillingsrotoren drehen sich in entgegengesetzte Richtungen, um der Drehmomentwirkung auf das Flugzeug entgegenzuwirken, ohne auf einen gegenläufigen Heckrotor angewiesen zu sein. Dadurch kann das Flugzeug die Leistung, die einen Heckrotor antreiben würde, auf die Hauptrotoren übertragen, was die Hubkapazität erhöht. In erster Linie nutzen drei gängige Konfigurationen den Gegenrotationseffekt bei Drehflüglern. Tandemrotoren sind zwei Rotoren, von denen einer hinter dem anderen montiert ist. Koaxialrotoren sind zwei übereinander auf derselben Achse montierte Rotoren. Ineinandergreifende Rotoren sind zwei Rotoren, die nahe beieinander in einem ausreichenden Winkel montiert sind, so dass die Rotoren über dem Flugzeug ineinandergreifen. Eine andere Konfiguration, die bei Tiltrotoren und einigen frühen Hubschraubern zu finden ist, nennt man Querrotoren, bei denen ein Paar Rotoren an jedem Ende einer flügelartigen Struktur oder eines Auslegers angebracht ist.
TandemEdit
Tandemrotoren sind zwei hintereinander montierte horizontale Hauptrotoren. Tandemrotoren erreichen Pitch-Lageänderungen zum Beschleunigen und Abbremsen des Hubschraubers durch einen Prozess, der zyklisches Pitchen genannt wird. Um den Hubschrauber vorwärts zu neigen und zu beschleunigen, erhöhen beide Rotoren den Pitch auf der Rückseite und verringern den Pitch auf der Vorderseite (zyklisch), wobei das Drehmoment auf beiden Rotoren gleich bleibt. Das Seitwärtsfliegen wird durch Erhöhen des Pitches auf einer Seite und Verringern des Pitches auf der anderen Seite erreicht. Die Giersteuerung entsteht durch entgegengesetztes zyklisches Pitch in jedem Rotor. Um nach rechts zu schwenken, kippt der vordere Rotor nach rechts und der hintere Rotor nach links. Zum Schwenken nach links kippt der vordere Rotor nach links und der hintere Rotor nach rechts. Die gesamte Rotorkraft trägt zum Auftrieb bei, und es ist einfacher, Änderungen des Schwerpunkts nach vorne und hinten zu handhaben. Es erfordert jedoch den Einsatz von zwei großen Rotoren anstelle des üblichen einen großen Hauptrotors und eines viel kleineren Heckrotors. Der Boeing CH-47 Chinook ist der gebräuchlichste Tandemrotor-Hubschrauber.
KoaxialEdit
Koaxialrotoren sind ein Paar übereinander auf einer Welle montierter Rotoren, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen. Der Vorteil des koaxialen Rotors besteht darin, dass im Vorwärtsflug der Auftrieb, der von den vorrückenden Hälften jedes Rotors erzeugt wird, die zurückweichende Hälfte des anderen Rotors ausgleicht, wodurch eine der wichtigsten Auswirkungen der Unsymmetrie des Auftriebs, der Strömungsabriss der zurückweichenden Blätter, vermieden wird. Allerdings sind Koaxialrotoren auch mit anderen konstruktiven Überlegungen verbunden. Die mechanische Komplexität des Rotorsystems nimmt zu, da Gestänge und Taumelscheiben für zwei Rotorsysteme erforderlich sind. Da sich die Rotoren in entgegengesetzte Richtungen drehen müssen, ist auch der Mast komplexer, und Steuerverbindungen für Pitch-Änderungen am oberen Rotorsystem müssen durch das untere Rotorsystem verlaufen.
Ineinandergreifende Rotoren
Ineinandergreifende Rotoren an einem Hubschrauber sind ein Satz von zwei Rotoren, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen, wobei jeder Rotormast mit einem leichten Winkel zum anderen am Hubschrauber angebracht ist, so dass die Blätter ineinandergreifen, ohne zu kollidieren. Diese Konfiguration wird manchmal auch als Synchropter bezeichnet. Ineinandergreifende Rotoren haben eine hohe Stabilität und ein starkes Hubvermögen. Diese Anordnung wurde 1939 in Nazi-Deutschland mit Anton Flettners erfolgreichem Entwurf Flettner Fl 265 eingeführt und später in begrenzter Stückzahl als erfolgreicher Flettner Fl 282 Kolibri produziert, der von der deutschen Kriegsmarine in kleinen Stückzahlen (24 produzierte Maschinen) als experimenteller leichter Hubschrauber zur U-Boot-Bekämpfung eingesetzt wurde. Während des Kalten Krieges produzierte ein amerikanisches Unternehmen, Kaman Aircraft, den HH-43 Huskie für Feuerlösch- und Rettungseinsätze der USAF. Das neueste Modell von Kaman, der Kaman K-MAX, ist ein spezielles Sky Crane Design.
QuerrotorenBearbeiten
Transversalrotoren sind an den Enden der Flügel oder Ausleger senkrecht zum Rumpf des Flugzeugs montiert. Ähnlich wie die Tandemrotoren und die ineinandergreifenden Rotoren arbeitet auch der Transversalrotor mit einem differentiellen kollektiven Pitch. Aber wie die ineinandergreifenden Rotoren nutzen die Querrotoren das Konzept für Änderungen der Rolllage des Drehflüglers. Diese Konfiguration findet sich bei zwei der ersten brauchbaren Hubschrauber, der Focke-Wulf Fw 61 und der Focke-Achgelis Fa 223, sowie bei dem größten jemals gebauten Hubschrauber der Welt, dem Mil Mi-12. Diese Konfiguration findet sich auch bei Kipprotoren wie dem Bell-Boeing V-22 Osprey und dem AgustaWestland AW609.
Quad rotorEdit
Etienne Oehmichen, Paris, Frankreich, 1921 Source
A quad rotor or quadrotor comprises four rotors in an „X“ configuration. Rotors to the left and right are in a transverse configuration while those in the front and to the rear are in a tandem configuration.
An advantage of quad rotors on small aircraft such as drones is the opportunity for mechanical simplicity. A quadcopter using electric motors and fixed-pitch rotors has only four moving parts. Nick-, Gier- und Rollbewegungen können durch Veränderung des relativen Auftriebs verschiedener Rotorpaare gesteuert werden, ohne den Gesamtauftrieb zu verändern.
Die beiden Profilfamilien sind
- symmetrische Profile
- asymmetrische Profile
Symmetrische Blätter sind sehr stabil, was dazu beiträgt, die Blattverwindung und die Flugsteuerungslasten auf ein Minimum zu beschränken.
Diese Stabilität wird dadurch erreicht, dass der Druckmittelpunkt bei Änderungen des Anstellwinkels praktisch unverändert bleibt. Der Druckmittelpunkt ist der imaginäre Punkt auf der Sehnenlinie, an dem sich alle aerodynamischen Kräfte konzentrieren.
Heute verwenden die Konstrukteure dünnere Schaufeln und erreichen die erforderliche Steifigkeit durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen.
Außerdem sind einige Schaufeln asymmetrisch konstruiert, d.h. die Ober- und Unterseite haben nicht die gleiche Wölbung.
Normalerweise wären diese Schaufeln nicht so stabil, aber dies kann durch Biegen der Hinterkante korrigiert werden, um die gleichen Eigenschaften wie bei symmetrischen Schaufeln zu erzielen. Dies wird als „Reflexing“ bezeichnet. Ein asymmetrisches Rotorblatt ist unter anderem deshalb nicht so stabil, weil sich der Druckmittelpunkt bei Änderungen des Anstellwinkels ändert. Wenn das Zentrum der Druckkraft hinter dem Drehpunkt eines Rotorblatts liegt, neigt die Rotorscheibe dazu, sich aufzurichten. Wenn der Anstellwinkel zunimmt, verschiebt sich der Druckmittelpunkt nach vorne, und wenn er vor dem Drehpunkt liegt, verringert sich die Neigung der Rotorscheibe. Da sich der Anstellwinkel der Rotorblätter bei jeder Umdrehung ständig ändert, neigen die Blätter dazu, stärker zu flattern, zu federn, zu führen und zu schlagen.