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Dr. András Jancsó Helikopter. Grundlagen Unterschiede Flugzeug Helikopter Auftrieb: Vorwärtsbewegung von festen Flügeln Auftrieb: Rotation von Drehflügeln.

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Präsentation zum Thema: "Dr. András Jancsó Helikopter. Grundlagen Unterschiede Flugzeug Helikopter Auftrieb: Vorwärtsbewegung von festen Flügeln Auftrieb: Rotation von Drehflügeln."—  Präsentation transkript:

1 Dr. András Jancsó Helikopter

2 Grundlagen Unterschiede Flugzeug Helikopter Auftrieb: Vorwärtsbewegung von festen Flügeln Auftrieb: Rotation von Drehflügeln (Rotor) Aerodynamik: relativ einfach Aerodynamik: komplizierte Verhältnisse Auftrieb Gewicht Luftwiderstand Vortrieb Helikopter

3 Bauarten der Drehflügel a. Hubschrauber(Helikopter) b. Tragschrauber (Autogiro) c. Flugschrauber d. Kombinationsflugschrauber e. Verwandlungsflugzeug

4 Helikopter Bauarten der Drehflügel a. Hubschrauber(Helikopter) b. Tragschrauber (Autogiro) c. Flugschrauber d. Kombinationsflugschrauber e. Verwandlungsflugzeug

5 Helikopter Bauarten der Drehflügel a. Hubschrauber(Helikopter) b. Tragschrauber (Autogiro) c. Flugschrauber d. Kombinationsflugschrauber e. Verwandlungsflugzeug

6 Helikopter Bauarten der Drehflügel a. Hubschrauber(Helikopter) b. Tragschrauber (Autogiro) c. Flugschrauber d. Kombinationsflugschrauber e. Verwandlungsflugzeug

7 Helikopter Bauarten der Drehflügel a. Hubschrauber(Helikopter) b. Tragschrauber (Autogiro) c. Flugschrauber d. Kombinationsflugschrauber e. Verwandlungsflugzeug

8 Bauarten der Drehflügel a. Hubschrauber(Helikopter) b. Tragschrauber (Autogiro) c. Flugschrauber d. Kombinationsflugschrauber e. Verwandlungsflugzeug Helikopter

9 Antriebsarten des Helikopterrotors Blattspitzenantrieb mit – Druckluft vom Kompressor – Brennkammern – Staustrahltriebwerk – Pulsitriebwerk Wellenantrieb jedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten: – Heckrotor, – Heckdüse

10 Helikopter Antriebsarten des Helikopterrotors Blattspitzenantrieb mit – Druckluft vom Kompressor – Brennkammern – Staustrahltriebwerk – Pulsitriebwerk Wellenantrieb jedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten: – Heckrotor, – Heckdüse

11 Helikopter Antriebsarten des Helikopterrotors Blattspitzenantrieb mit – Druckluft vom Kompressor – Brennkammern – Staustrahltriebwerk – Pulsitriebwerk Wellenantrieb jedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten: – Heckrotor, – Heckdüse

12 Helikopter Antriebsarten des Helikopterrotors Blattspitzenantrieb mit – Druckluft vom Kompressor – Brennkammern – Staustrahltriebwerk – Pulsitriebwerk Wellenantrieb jedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten: – Heckrotor, – Heckdüse

13 Helikopter Anordnung der Rotoren Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung) Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren) – Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander – Ineinanderkämmende Rotoren – Koaxial-Bauweise

14 Helikopter Anordnung der Rotoren Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung) Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren) – Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander – Ineinanderkämmende Rotoren – Koaxial-Bauweise

15 Helikopter Anordnung der Rotoren Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung) Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren) – Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander – Ineinanderkämmende Rotoren – Koaxial-Bauweise

16 Helikopter Anordnung der Rotoren Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung) Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren) – Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander – Ineinanderkämmende Rotoren – Koaxial-Bauweise

17 Helikopter Anordnung der Rotoren Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung) Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren) – Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander – Ineinanderkämmende Rotoren – Koaxial-Bauweise

18 Helikopter Steuerung Die Vermessung und Beschreibung der Bewegungen des Helikopters erfolgt in Koordinatensystemen: a, das helikopterfeste Koordinatensystem mit dem Index 1 b, das strömungsfeste Koordinatensystem ohne Index Koordinatensprung: Schwerpunkt des Helikopters

19 Helikopter Steuerung Die Benennung der Achsen und der zugeordneten Bewegungen: AchseBewegung Längsachse xRollen Querachse yNicken Hochachse zGieren

20 Helikopter Steuerung Die Steuerorgane des Helikopters (auf dem Bild: die Copilotenseite) 1.Instrumentenbrett 2.Steuerknüppel (stick, cyclic) 3.Blattverstellhebel (collective) 4.Seitensteuerpedale (pedals)

21 Helikopter Steuerung 1.Instrumentenbrett 2.Steuerknüppel (stick, cyclic) 3.Blattverstellhebel (collective) 4.Seitensteuerpedale (pedals) Steuerknüppel vor und zurück LängssteuerungNicken Steuerknüppel seitlich QuersteuerungRollen Blattverstellhebel VertikalsteuerungSteigen, Sinken, Schweben Seitensteuerpedal SeitensteuerungGieren

22 Helikopter Steuerung 1.Instrumentenbrett 2.Steuerknüppel (stick, cyclic) 3.Blattverstellhebel (collective) 4.Seitensteuerpedale (pedals) Im Vorwärtsflug werden - durch den Cyclic die Kurven oder das Steigen und Sinken eingeleitet - mit den Pedalen kann der Hubschrauber um die Hochachse an Ort gedreht werden, und - mit dem Collective steuert der Pilot das Steigen und Sinken im Schwebeflug, und zusammen mit dem Cyclic die Geschwindigkeit im Vorwärtsflug. Abb 1

23 Helikopter Steuerung Sobald der Pilot am Collective nach oben zieht, wird der Anstellwinkel aller Rotorblätter um den gleichen Betrag erhöht. Dadurch nimmt der Gesamtauftrieb zu und der Helikopter beginnt zu steigen. Sinngemäss verringert sich der Anstellwinkel, wenn der Pilot den Collective nach unten drückt.

24 Helikopter Steuerung Wird der Cyclic nach vorne gedrückt, wird der Anstellwinkel der Rotorblätter während einer Umdrehung kontinuierlich geändert. Durch den unterschiedlichen Auftrieb wird die Rotorblatt- ebene nach vorne geneigt. Selbstverständlich neigt sich die Ebene nach hinten, sobald der Pilot den Cyclic nach hinten zieht.

25 Helikopter Steuerung Dasselbe wie vorher beschrieben geschieht, wenn der Pilot den Cyclic entweder nach rechts oder nach links drückt.

26 Helikopter Steuerung Mit den Pedalen wird der Anstellwinkel aller Heckrotorblätter um den gleichen Betrag verstellt (ähnlich der Collectiven Blattverstellung am Hauptrotor). Dadurch erhöht oder verringert sich der Heckrotorschub.

27 Helikopter Steuerung - Zusammenhänge Sobald der Pilot an einem der drei Steuer etwas verändert, muss er an den beiden Anderen ebenfalls korrigieren.

28 Helikopter Steuerung - Zusammenhänge Sobald der Pilot an einem der drei Steuer etwas verändert, muss er an den beiden Anderen ebenfalls korrigieren. Beispiel: Der Pilot muß am Collective ziehen, wenn er im Schwebeflug etwas steigen will. Der Vorgang:

29 Helikopter Steuerung - Zusammenhänge Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.

30 Helikopter Steuerung - Zusammenhänge Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen. Dies bewirkt nun, dass durch den größeren Anstellwinkel der Rotorblätter (und dadurch erhöhter Luftwiderstand) das Drehmoment zunimmt. Dadurch beginnt sich der Hubschrauber um die Hochachse zu drehen, was nur mit einer Korrektur am Heckrotor verhindert werden kann.

31 Helikopter Steuerung - Zusammenhänge Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen. Dies bewirkt nun, dass durch den größeren Anstellwinkel der Rotorblätter (und dadurch erhöhter Luftwiderstand) das Drehmoment zunimmt. Dadurch beginnt sich der Hubschrauber um die Hochachse zu drehen, was nur mit einer Korrektur am Heckrotor verhindert werden kann. Da nun der Heckrotor einen größeren seitlichen Schub liefert, wird auch die seitliche Versetzung des Hubschraubers vergrößert, was wiederum nur mit einer Korrektur am Cyclic ausgeglichen werden kann.

32 Helikopter Steuerung - Technik Die Steuerung eines Hubschraubers wird über Steuerstangen, Umlenkhebel und Steuerseile, von den Steuerorganen auf die Taumelscheibe (resp. zum Heckrotor) sichergestellt.

33 Steuerung – Technik Taumelscheibe drehender Teil Helikopter Taumelscheibe fixer Teil Obere Umlenkhebel Steuerstangen Untere Umlenkhebel Collective Cyclic Das wichtigste Element der Steuerung eines Hubschraubers ist die Taumelscheibe. Sie liegt auf der Rotorachse, direkt unter dem Hauptrotor und ist zuständig für die Übertragung der Steuerimpulse auf die einzelnen Rotorblätter. Der fixe oder untere Teil ist über Steuerstangen und Umlenkhebel mit dem Steuerknüppel verbunden und der drehende oder obere Teil mit jedem einzelnen Rotorblatt.

34 Steuerung – Technik Taumelscheibe drehender Teil Helikopter Taumelscheibe fixer Teil Obere Umlenkhebel Steuerstangen Untere Umlenkhebel Collective Cyclic Wird nun die Taumelscheibe mit dem Steuerknüppel nach vorne oder zur Seite geneigt, ändert sich der Anstellwinkel jedes Rotorblattes während einer Umdrehung (zyklische Blattverstellung). Wenn Der Pilot am Collective nach oben zieht, bewegt sich die Taumelscheibe als Ganzes nach oben und der Anstellwinkel aller Rotorblätter wird gleichzeitig erhöht (kollektive Blattverstellung).

35 Steuerung – Technik Taumelscheibe drehender Teil Helikopter Taumelscheibe fixer Teil Obere Umlenkhebel Steuerstangen Untere Umlenkhebel Collective Cyclic Die Steuerung wird bei kleineren Hubschrauber in der Regel mit hydraulischen Servomotoren unterstützt, um den Kraftaufwand des Piloten zu verringern. Bei mittleren und großen Hubschraubern treten an der Taumelscheibe so große Kräfte auf, dass eine rein mechanische Steuerung (nur mit Steuerstangen und Umlenkhebel) nicht mehr möglich ist, und die Steuerung nur mit hydraulischer Unterstützung gewährleistet werden kann.

36 Helikopter Aerodynamik des Helikopters Rotorströmung im Vertikalflug Die Haptkräfte an einem Helikopter: F A = Auftriebkraft des Rotors F Z = Zugkraft des Rotor sin Flugrichtung F G = Gewichtskraft des Helikopters F W = Luftwiderstand des Helikopters

37 Helikopter Aerodynamik des Helikopters Strömungsverlauf durch die Rotorscheibe schematische Darstellung des Strömungsverlaufs im Schwebeflug

38 Helikopter Aerodynamik des Helikopters Strömung am Rotorblatt im Schwebe- und Steigflug Geschwindigkeits- und Kraftvektoren am Rotorblatt: 1, = Profilsehne F A = Auftriebkraft F N = Normalkraft zur Rotordrehebene F W = Luftwiderstand des Rotorblattes F T = Widerstand des Blattes in Rotordrehebene F R = Resultierende Luftkraft δ = Blatteinstellwinkel α = Anstellwinkel v d = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft durch die Rotorebene u = Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts w = effektive Anströmgeschwindigkeit δ

39 Helikopter Aerodynamik des Helikopters Der Winkel des Rotorkonus β = Konuswinkel S = Schwerpunkt des Rotorblatts a = Abstand des Gelenkpunkts vom Mittelpunkt r S = Abstand des Schwerpunkts vom Mittelpunkt F AB = Auftriebskraft F F =Fleihkraft eines Blatts

40 Helikopter Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug Asymmetrie der Blattströmung im Horizontalflug

41 Helikopter Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug Die Durchströmungsrichtung der Rotorblätter bei horisontaler Anströmung: Die Konusform des Rotors bewirkt, daß das vordere Blatt bei Anströmung in Richtung der Rotorebene von unten und das hintere von oben durchströmt wird.

42 Helikopter Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter: Schlagbewegung Schwenkbewegung

43 Helikopter Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter: Schlagbewegung Schwenkbewegung

44 Helikopter Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter: Schlagbewegung Schwenkbewegung

45 Helikopter Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter: Schlagbewegung Schwenkbewegung

46 Helikopter Geschwindigkeitsbegrenzung des Helikopters Der Bereich der Rückanströmung des zurücklaufenden Blattes ist eine Kreisfläche mit dem Durchmesser (d), der mit der Fluggeschwindigkeit zunimmt. Erreicht die Fluggeschwindigkeit die Umlauf- geschwindigkeit der Blattspitzen, ist der Durchmesser der Rückanströmung (d) gleich dem Rotorradius.

47 Helikopter Unterschied zwischen Hubschrauber- und Tragschrauberzustand Hubschrauberzustand: Durchströmung von oben nach unten Tragschrauberzustand: Durchströmung von unten nach oben

48 Helikopter Mechanik des Helikopters Rotorkopf- Blattsteuerung Mittels einer Taumelscheibe 1.Blatthebel 2.Stoßstange 3.Steuerstange 4.Rotorwelle 5.Nur kippbarer Teil der Taumelscheibe 6.kippbarer und drehbarer Teil der Taumelscheibe

49 Helikopter Mechanik des Helikopters Gegliederter Rotorkopf 1. Schwenkgelenk 2. Rotornabe 3. Schlaggelenk 4. Schwenkdämpfer 5. Drehbarer Ring der Taumelscheibe 6. Anlenkung für kollektive und zyklische Blattverstellung 7. Stoßstange 8. Nicht drehbarer Ring der Taumelscheibe 9. Blatthebel

50 Helikopter Mechanik des Helikopters Rotorkopf ohne Schlag- und Schwenkgelenke 1. Rotornabe 2. Stoßstange 3. Drehbarer Ring der Taumelscheibe 4. Mitnehmerschere 5. Rotorblatt 6. Hauptblattbolzen 7. Nebenblattbolzen 8. Blatthebel

51 Helikopter Mechanik des Helikopters Rotorkopf ohne Schlag- und Schwenkgelenke 1. Heißöse 2. Rotornabe 3. innre Befestigung der Zugelemente 4. Außenhülse 5. Nadellager 6. äußre Befestigung des Zugelementes 7. Zugelement 8. Blatthebel 9. Innenhülse 10. Nebenblattbolzen 11. Hauptblattbolzen

52 Helikopter Mechanik des Helikopters Der gelenk- und lagerlose Rotor Rotorkopf ohne mechanische Gelenke, Lager und Dämpfer, mit elastischen Elementen

53 Helikopter Mechanik des Helikopters Kardanisch gelagerte Taumelscheibe ohne mechanische Schlag- und Schwenkgelenke V = vorn 1, Rotornabe 2, Rotorblatt 3, Blatthebel 4, Stoßstange 5, Scheibehülse 6, Rotorwelle 7, dehbarer Ring der Taumelscheibe 8. nur kippbarer Ring der Taumelscheibe 9, Kardanachsen der Taumelscheibe 10, Anlenkhebel zur Neigung der Taumelscheibe 11, Hebel für zyklische Blattverstellung (Querrichtung) 12, Hebel für zyklische Blattverstellung (Längsrichtung) 13, Hebel für kollektive Blattverstellung 14, Mitnehmerschere

54 Helikopter Bauweisen der Rotorblätter Holz Metall Kunststoff (Schaum und Komposit)

55 Helikopter Bauweisen der Rotorblätter 1, Bleistange 2, Erosionsschutz aus Titanblech 3, Holm aus GFK unidirektional 4, Haut aus GFK in 45° Lage 5, Kern aus PVC Hartschaum

56 Helikopter Bauweisen der Rotorblätter 1, Gummischicht 2, Stahlschiene 3, Strangpreßprofil aus Aluminiumlegierung 4, Aluminiumwabenkern 5, Deckblech aus Aluminiumlegierung

57 Helikopter Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!


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