Holger Duda

Das war’s

Wir haben uns auf den Weg gemacht, die faszinierende Flugphysik der Tragschrauber zu erklaren. Viele Uberlegungen, lange Nachte, mehrere Flugversuchsreihen, viel Spas beim Fliegen und Schreiben haben dieses Buch entstehen lassen. Wir haben dabei versucht, uns auf die wesentlichen Effekte zu fokussieren und die Zusammenhange mit Hilfe einfacher Skizzen darzustellen. Es war uns auch wichtig, uberschaubare Formeln und analytische Herleitungen bereitzustellen und diese mit realen Werten zu vergleichen.

Der Rotor, etwas genauer betrachtet

Zur genaueren Berechnung des Rotors nutzen wir eine Software zur Simulation des Referenzrotors, die am Deutschen Zentrum fur Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde. Die Simulation wurde mit Messdaten aus Flugtests abgeglichen und kann als Referenz zur Beurteilung der Genauigkeit der analytischen Formeln verwendet werden. Wir beschreiben den Einfluss der Machzahleffekte und steigern gedanklich die Rotordrehzahl bis an ihre physikalische Grenze. Wir erklaren die Entstehung und Bedeutung des Konuswinkels, der aufgrund der Luftkrafte an den Rotorblattern entsteht. Wir zeigen, dass im Vorwartsflug etwa die gesamte vorlaufende Seite bremst und die rucklaufende Seite antreibt.

Der Tragschrauber im Vorwärtsflug

In diesem Kapitel untersuchen wir das Zusammenspiel zwischen dem Rotor und der Zelle des Tragschraubers im Vorwartsflug. Dabei beschranken wir uns auf den Geradeausflug im Gleichgewicht. Wir erklaren, wie die Flugsteuerung des Tragschraubers funktioniert und wie die Handkrafte am Steuerknuppel entstehen. Mit der Kippkopfsteuerung wird die Richtung der Rotorkraft kontrolliert. Analytische Formeln erlauben die Berechnung von Widerstand, Fluglagewinkel, Steuerwinkel und Handkrafte. Am Beispiel des Referenztragschraubers liefern wir konkrete Zahlenwerte, die die Formeln greifbarer machen. Ein sehr spannendes Thema ist die Flugstabilitat und ihre Einflussgrosen. Hier spielen der Schuboffset, der Offset des Rotorkopfes und das Hohenleitwerk eine entscheidende Rolle. Den Einfluss der Schwerpunktlage erklaren wir anhand unterschiedlich schwerer Personen auf dem Pilotensitz.

Der Rotor im Vorwärtsflug

Im Vorwartsflug wird der Rotor nicht nur von unten angestromt, sondern auch von vorne. Damit ergibt sich eine unsymmetrische Anstromung beider Rotorblatter und die Stromungsverhaltnisse werden etwas komplizierter als im senkrechten Sinkflug. Um die Autorotation im Vorwartsflug zu verstehen, erklaren wir zunachst die Schlagbewegung des Rotors. Wir zeigen, dass die induzierte Abwindgeschwindigkeit des Rotors mit der Fluggeschwindigkeit abnimmt. Damit wird klar, warum der Rotor im schnellen Vorwartsflug gegenuber der anstromenden Luft kaum nach hinten geneigt ist. Mit Hilfe der analytischen Formeln erklaren wir den Einfluss der Fluggeschwindigkeit auf die Rotordrehzahl, den Schlagwinkel, den Rotoranstellwinkel, die Schwankung der Rotorkraft sowie den Rotorwiderstand.

Der Rotor im senkrechten Sinkflug

Ein Tragschrauber besitzt die faszinierende Fahigkeit, wie ein Fallschirm senkrecht in Richtung Erde zu sinken. Wir machen uns zunachst klar, wie die Rotorblatter im senkrechten Sinkflug angestromt werden. Ein winziger Exkurs in die Welt der Aerodynamik hilft uns, die Krafte an den Rotorblattern zu verstehen und zu berechnen. Besonderes Augenmerk legen wir auf die induzierte Abwindgeschwindigkeit des Rotors. Wir zeigen, dass es Krafte gibt, die den Rotor antreiben und Krafte, die ihn bremsen. In der Autorotation befindet sich der Rotor in einem Gleichgewicht, so dass die Rotordrehzahl weder zu- noch abnimmt. Mit den analytischen Formeln liefern wir ein Werkzeug zur Berechnung der Rotordrehzahl und der Sinkgeschwindigkeit abhangig von der Masse des Tragschraubers.

Der Rotor, dynamisch betrachtet

Bei der dynamischen Betrachtung des Rotors kommt die wichtige Variable „Zeit“ ins Spiel. Wir erklaren das Verhalten des Rotors bei schnellen Anderungen der Anstromung und beginnen mit einem kleinen Ausflug in die Welt der Dynamik im Allgemeinen. Zum besseren Verstandnis der Schlagbewegung „beamen“ wir den Rotor kurzzeitig ins Weltall, danach geht es zuruck auf die Erde, wo die Luftkrafte am Rotor wirken. Wir betrachten das Drehzahlverhalten des Rotors aufgrund schneller Anderungen der Anstromung. Anhand der Simulation eines Startvorgangs erklaren wir das dynamische Verhalten des Rotors hinsichtlich Drehzahl und Schlagwinkel. Wir untersuchen die Ursachen fur Drehzahlschwankungen im Zusammenhang mit der Unterhangung und schliesen mit einer kurzen Betrachtung der Kreiseleffekte.