Dr. András Jancsó Helikopter

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Anordnung der Rotoren Helikopter 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

Anordnung der Rotoren Helikopter 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

Anordnung der Rotoren Helikopter 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

Anordnung der Rotoren Helikopter 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

Anordnung der Rotoren Helikopter 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

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

Steuerung Achse Bewegung Helikopter Die Benennung der Achsen und der zugeordneten Bewegungen: Achse Bewegung Längsachse x Rollen Querachse y Nicken Hochachse z Gieren

Helikopter Steuerung Die Steuerorgane des Helikopters (auf dem Bild: die Copilotenseite) Instrumentenbrett Steuerknüppel (stick, cyclic) Blattverstellhebel (collective) Seitensteuerpedale (pedals)

Steuerung Helikopter Instrumentenbrett Steuerknüppel (stick, cyclic) Blattverstellhebel (collective) Seitensteuerpedale (pedals) Steuerknüppel vor und zurück Längssteuerung Nicken Steuerknüppel seitlich Quersteuerung Rollen Blattverstellhebel Vertikalsteuerung Steigen, Sinken, Schweben Seitensteuerpedal Seitensteuerung Gieren

Steuerung Helikopter Instrumentenbrett Steuerknüppel (stick, cyclic) Blattverstellhebel (collective) 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

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.

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.

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

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.

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

Steuerung - Zusammenhänge 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:

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

Steuerung - Zusammenhänge 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.

Steuerung - Zusammenhänge 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.

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

Steuerung – Technik Helikopter 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. Taumelscheibe drehender Teil Taumelscheibe fixer Teil Steuerstangen Cyclic Obere Umlenkhebel Collective Untere Umlenkhebel

Steuerung – Technik Helikopter 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). Taumelscheibe drehender Teil Taumelscheibe fixer Teil Steuerstangen Cyclic Obere Umlenkhebel Collective Untere Umlenkhebel

Steuerung – Technik Helikopter 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. Taumelscheibe drehender Teil Taumelscheibe fixer Teil Steuerstangen Cyclic Obere Umlenkhebel Collective Untere Umlenkhebel

Aerodynamik des Helikopters Rotorströmung im Vertikalflug Die Haptkräfte an einem Helikopter: FA = Auftriebkraft des Rotors FZ = Zugkraft des Rotor sin Flugrichtung FG = Gewichtskraft des Helikopters FW = Luftwiderstand des Helikopters

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

Aerodynamik des Helikopters Strömung am Rotorblatt im Schwebe- und Steigflug Geschwindigkeits- und Kraftvektoren am Rotorblatt: 1, = Profilsehne FA = Auftriebkraft FN = Normalkraft zur Rotordrehebene FW = Luftwiderstand des Rotorblattes FT = Widerstand des Blattes in Rotordrehebene FR = Resultierende Luftkraft δ = Blatteinstellwinkel α = Anstellwinkel vd = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft durch die Rotorebene u’ = Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts w = effektive Anströmgeschwindigkeit δ

Aerodynamik des Helikopters Der Winkel des Rotorkonus β = Konuswinkel S = Schwerpunkt des Rotorblatts a = Abstand des Gelenkpunkts vom Mittelpunkt rS = Abstand des Schwerpunkts FAB = Auftriebskraft FF =Fleihkraft eines Blatts

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

Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug 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.

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

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

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

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

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.

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

Mechanik des Helikopters Rotorkopf - Blattsteuerung Mittels einer Taumelscheibe Blatthebel Stoßstange Steuerstange Rotorwelle Nur kippbarer Teil der Taumelscheibe kippbarer und drehbarer Teil der Taumelscheibe

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

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

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

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

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

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

Bauweisen der Rotorblätter 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

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

Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit! Helikopter Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!