Flugmechanik & Aerodynamik des Hubschraubers

Die verblüffenden Flugeigenschaften des Hubschraubers unterliegen den Gesetzen der Aerodynamik und Flugmechanik und stellen somit komplexe Vorgänge dar. Dieses Lexikon will ihnen möglichst einfach die Physik des Hubschraubers näher bringen und zudem zeigen, warum es so schwierig ist einen Hubschrauber zu fliegen.

Sollten sie über wenig oder kein Wissen über die Physik des Hubschraubers verfügen, so ist es sehr empfehlenswert das Lexikon Schritt für Schritt durch zu gehen, da jeder Abschnitt auf dem vorigen aufbaut. Ansonsten orientieren Sie sich frei an den Überschriften. Sollte im Lexikon ein Begriff/ Umstand auftauchen, der eigentlich schon bekannt sein sollte, so fungiert dieser meist als Link, der bequem auf vorige Kapitel verweist, um sich das Wissen nochmals zu verdeutlichen.

Das Prinzip des Fliegens...

...wird durch zwei Kräfte bestimmt.

Schwerkraft:
Die grundlegendste Kraft ist die Schwerkraft, die jeden Körper auf den Erdmittelpunkt (Erdboden) hin zieht.

Auftrieb:
Der Auftrieb wirkt der Schwerkraft entgegen und ermöglicht damit einem Körper zu fliegen.

Ist die Schwerkraft größer/stärker als der Auftrieb, oder ist dieser gar nicht vorhanden, so wird das Objekt zum Erdmittelpunkt (Erdboden) hingezogen.
Ist der Auftrieb jedoch größer als die Schwerkraft, so steigt das Flugzeug bzw. der Hubschrauber.
Ein Flugzeug/Hubschrauber kann demnach ohne Auftrieb nicht fliegen oder würde im Flug unweigerlich sinken.

Wie erzeugt man Auftrieb ?

Das Verständnis und die Erklärung des Auftriebes sind nicht ganz einfach und wurden lange Zeit falsch gedeutet oder Theorien konnten nur teils das Phänomen des Auftriebes erklären. Bestes Beispiel hierfür ist die noch heute populäre Theorie nach "Bernoulli", welche trotz ihrer unvollständigen Klärung des Auftriebes geradezu vorherrschend ist. Für die Berechnung bedarf es komplexer Mathematik und ganzer Abhandlungen der Aerodynamik, welche in Vorlesungen an Hochschulen gelehrt werden und nur mit dem Computer zu lösen bzw. zu berechnen sind. Heute wird der Auftrieb nach den Prinzipien von Newton vollständig erklärt. Ich werde dennoch auf die Theorie nach "Bernoulli" eingehen und ihre Fehler erläutern.


Theorie nach Newton:
Obwohl der britische Wissenschaftler Sir Isaac Newton (1643 - 1727) sich nie mit der Fliegerei beschäftigt hat, dienen seine drei fundamentalen Prinzipien (Axiome) der Mechanik als Erklärung für den Auftrieb. Um das Prinzip des Auftriebes zu verstehen, muss man zunächst diese drei Newtonschen Axiome verinnerlicht haben. Ferner ist der sogenannte Coandaeffekt entscheidend für die Entstehung und das Verständnis des Auftriebes.
Ich verwende bei den Erklärungen die gängigen Bezeichnungen wie "Körper" und "Kraft", welche manchem zunächst nicht gleich verständlich sein mögen. Als Körper wird immer das Objekt bezeichnet, welches betrachtet wird bzw. einen Einfluss in Form einer Kraft erfährt. Betrachtet man z.B. einen Fußball, der von einem Spieler angestoßen wird, so wirkt auf den Körper Ball eine Kraft in Form eines Stoßes durch den Spieler.

Wenn man ein Rotorblatt (Tragfläche) in Bewegung setzt, teilt dieses den Luftstrom in einen oberen und einen unteren Strom (der Trennpunkt wird als Aufprallpunkt oder Staupunkt bezeichnet).

Das klassische Strömungsbild wobei die Luft einfach auf die Vorderkante des Flügels/ Rotorblatt trifft, diesen überströmt und ihn gerade am hinteren Ende wieder verlässt ist falsch. Physikalisch gesehen (Newton 1) hat die Luft keine Veränderung erfahren und darf keinen Auftrieb erzeugen. (siehe Bild 1)

Die horizontal anströmende Luft trifft vielmehr auf die Vorderkante (Staupunkt) des Flügels und wird dabei zunächst nach oben gebogen (Upwash). Daraufhin strömt sie an der Oberseite entlang und versucht nun das Ende zu umströmen und der Unterseite zu folgen (Coandaeffekt). Aufgrund der Geschwindigkeit und des Winkels "reißt" die Strömung jedoch von der Oberfläche ab und fließt nach unten (Downwash). (siehe Bild 2)

Der Luftstrom wird demnach aus der Horizontalen nach unten abgelenkt und beschleunigt. Nach Newton 1 kann diese Ablenkung nur durch eine Kraft verursacht werden. Nach dem dritten Gesetz von Newton muss nun jedoch ebenfalls zu dieser Kraft (Actio) eine Gegenkraft herrschen (Reactio), welche auf die Tragfläche gerichtet ist. Diese Reaktionskraft ist die Auftriebskraft bzw. der Auftrieb. Der Luftstrom an der Flügelunterseite trägt hierbei ebenfalls zum Auftrieb bei, da er dem Flügel im Staupunkt sozusagen ausweichen muss und Anfangs ebenfalls nach unten abgelenkt wird. Die Reaktionskraft nach Newton ist wiederum der Auftrieb.

Nach dem zweiten Axiom von Newton ist die Auftriebskraft proportional zur Masse der bewegten Luft und deren Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung (F=m?a). Einfach gesagt: Umso mehr Luft über den Flügel strömt und abgelenkt wird und/oder umso größer die Geschwindigkeit dieser Luft bzw. des Flügels ist, umso größer ist der Auftrieb bzw. die Auftriebskraft.

Durch die Ablenkungen der Luft entsteht unter dem Flügel eine Art "leerer" Raum, welcher einen Druckunterschied bewirkt und mit Luft gefüllt werden muss. Die umgelenkte Luft der Flügelhinterkante strömt nun nach und wird weiter beschleunigt. Diese Zirkulation (siehe Bild) sorgt demnach für eine Beschleunigung der Luft und somit für eine Erhöhung des Luftstromes (Massenstrom), wodurch die resultierende Auftriebskraft verstärkt wird.
Ferner bewirkt die Beschleunigung der Luft auf der Flügeloberfläche einen Unterdruck, wodurch wiederum mehr Luft aus der Umgebung nachströmt und ebenfalls eine Beschleunigung nach unten erfährt. Der Luftstrom wird so maßgeblich vergrößert und trägt entscheidend zur Verstärkung des Auftriebes bei.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Flügel bewegt wird, dadurch den Luftstrom teilt und die Luft beschleunigt. Durch den Coandaeffekt folgt der Luftsrom der Oberfläche und wird somit aus seiner ursprünglichen horizontalen Strömungsrichtung nach unten abgelenkt. Physikalisch (nach Newton) wird diese Ablenkung jedoch durch eine nach unten wirkende Kraft erklärt, die wiederum eine Gegenkraft hervorruft, welche auf die Tragfläche gerichtet ist. Diese Reaktionskraft ist der Auftrieb bzw. die Auftriebskraft.
Verstärkt wird der Auftrieb durch eine Vergrößerung des Luftstromes oder seiner Beschleunigung. An der Flügeloberfläche ist durch die Beschleunigung der Luft ein Unterdruck enstanden, wodurch Luft von oben nachströmt und den Luftstrom vergrößert. Durch die Umlenkung der Luft unter der Tragfläche entsteht eine Art "leerer Raum", welcher mit Luft gefüllt werden muss und so durch die Zirkulation der Luft den Luftstrom und seine Beschleunigung weiter erhöht. Sowohl Ober- als auch Unterseite tragen somit zu einer Vergrößerung des Auftriebes bei.



Populäre Theorie nach Bernoulli:
Wenn man ein Rotorblatt/Tragfläche in Bewegung setzt, teilt diese den Luftstrom in einen oberen und einen unteren Strom (der Trennpunkt wird als Aufprallpunkt oder Staupunkt bezeichnet). Da die Oberseite des Rotorblattes /Tragfläche jedoch gewölbt ist, man sagt der Flügel hat ein asymmetrisches Profil, ist die Strecke der Oberfläche ebenfalls länger. Daher muss der obere Luftstrom eine größere Entfernung zurücklegen als der untere. Da sich beide Seiten jedoch gleichzeitig durch die Luft bewegen, muss der obere Luftstrom schneller fließen, um die größere Entfernung zeitgleich mit dem unteren zurückzulegen. Das Bernoullische Prinzip besagt, dass diese unterschiedlichen Geschwindigkeiten einen höheren Druck unter dem Rotorblatt/Tragfläche und einen niedrigeren darüber erzeugen. Da unter dem Blatt mehr Druck vorhanden ist, wird es nach oben gedrückt, gleichzeitig wird das Blatt durch den Unterdruck oberhalb nach oben gezogen - Diese Kraft ist der Auftrieb. Das Bernoullische Prinzip besagt weiterhin, dass eine höhere Geschwindigkeit einen größeren Druckunterschied bewirkt und so mehr Auftrieb erzeugt.

Das Bernoullische Prinzip einmal wissenschaftlich betrachtet:
Daniel Bernoulli (Schweizer Wissenschaftler, 1700 - 1782) fand heraus, dass die Summe aus dem statischen Druck und dem dynamischen Druck in einem abgeschlossenen Luftraum (Rohr) bei konstanter Temperatur gleich bleibt. Dies bedeutet, dass ein Anstieg des dynamischen Druckes, was einem Anstieg der Luftgeschwindigkeit gleich kommt, ein Absinken des statischen Druckes bewirkt, der auf das Objekt einwirkt.

Anmerkung:
Das Prinzip von Bernoulli ist die einfachste Erklärung für die Wirkung und Entstehung des Auftriebes, jedoch ist sie nicht allgemein gültig. Bernoulli ist für abgeschlossene Räume (Rohre beispielsweise) von Gültigkeit, kann jedoch nicht einfach auf einen Flügel ("offenes Rohr") übertragen werden. Folgende Folgerung ist demnach falsch: Größere Strecke (asymmetrisches Flügelprofil) --> höhere Geschwindigkeit = höherer dynamischer Druck = geringerer statischer Druck --> es wird Auftrieb erzeugt --> die Tragfläche hebt sich.
Ferner ist die Grundannahme, dass beide Luftströme zur gleichen Zeit am Ende der Tragfläche ankommen müssen, in Versuchen wiederlegt worden. Zu guter Letzt kann nach Bernoulli kein Flugzeug auf dem Kopf fliegen oder geklärt werden, warum auch eine Fläche, welche nicht dem typischen asymmetrischen Flügelprofil entspricht, ebenfalls geringen Auftrieb erzeugt.
Trotz mangelnder Erklärung der Auftriebsentstehung ist die Formel von Bernoulli, welche einen Zusammenhang von Druck und Geschwindigkeit herstellt, unumstritten eine Standardformel der Strömungsmechanik/ Aerodynamik.

Das Drehmoment

Ein Hubschrauber, der nur einen einfachen Hauptrotor besitzt, würde unkontrollierbar rotieren und hüpfen. Dies ist ein Resultat des Drehmomentes. Newtons drittes Gesetz besagt, dass jede Aktion eine entsprechende Reaktion erzeugt. In diesem Fall ist die Reaktion das Drehmoment. Der Rumpf des Hubschraubers dreht sich somit in entgegengesetzter Richtung zum Rotor. Hier kommt der Heckrotor ins Spiel. Der Heckrotor wirkt eine Kraft aus, die dem Drehmoment entgegen wirkt (funktioniert wie ein senkrechter, kleiner Hauptrotor). Dadurch kompensiert er das Abdriften des Hecks und ermöglicht dem Piloten einen geraden Kurs beizubehalten.

Haupt- und Heckrotor:
Der Vorteil liegt in der guten Steuerung und Handhabung des Hubschraubers im angetriebenen Zustand und in der Autorotation. Der Nachteil ist, dass 10% - 20% der Triebwerksleistung für den Heckrotor verloren gehen, der für das Gegendrehmoment verantwortlich ist. Ferner ist zu erwähnen, dass der Heckrotor eine Gefahr für außenstehende Menschen birgt.

Das Haupt- und Heckrotor Konzept ist das heutzutage weit verbreitetste Rotorsystem, um dem Drehmoment entgegen zu wirken. Während der Geschichte des Hubschraubers wurden jedoch noch folgende Rotoranordnungen entwickelt, welche ihre Vor- und Nachteile haben.

Koaxialer Rotor:
Beim koaxialen Rotorsystem drehen zwei Rotoren übereinander auf einer Achse in gegenläufiger Richtung, wodurch das Drehmoment kompensiert wird. Der Vorteil dieses System ist, dass eine erheblich größere Menge für den Auftrieb vorhanden ist, da zwei Rotoren für die Auftriebskraft zur Verfügung stehen. Die Rotoren müssen allerdings einen gewissen Abstand voneinander haben, da die Rotorblätter beim Betrieb leicht nach oben und nach unten schwenken und sich ohne Abstand sonst selbst beschädigen würden. Der Nachteil dieses Systems liegt jedoch darin, dass der obere Rotor die Luft nach unten drückt und in Verwirbelungen versetzt - die Luft wird sozusagen "verbraucht". Diese "verbrauchte" Luft strömt nun zum unteren Rotor, wodurch dieser weniger Auftrieb erzeugen kann. Dies kann zu einem Auftriebsverlust von 10% - 20% der Triebwerksleistung führen. Die Steuerung um den Mittelpunkt wird durch eine kollektive Veränderung eines Hauptrotors durchgeführt (siehe Anstellwinkel). Dadurch wird der Auftrieb an einem Rotor erhöht, das Drehmoment ist nun nicht mehr ausgeglichen und führt so zu einer Drehung des Hubschraubers. In der Autorotation funktioniert dieses System allerdings nicht, da kein koordinierter Auftrieb durch die Triebwerksleistung zur Verfügung steht. Aus diesem Grund besitzen alle Hubschrauber der Firma "Kamov" eine Art Querruder, welches nun die Steuerung um den Mittelpunkt ermöglicht.


Tandemrotor:
Beim "Tandemrotor" sind zwei Hauptrotoren hintereinander angebracht, welche wiederum in gegenläufiger Richtung rotieren. Der Vorteil dieses Systems liegt in der erhöhten Auftriebsleistung, aufgrund der zwei Hauptrotoren, und wird daher bei Transporthubschraubern verwendet. Beim Vorwärtsflug jedoch wird der hintere Hauptrotor durch die "verbrauchte" Luft des vorderen Rotors beeinflusst und produziert aus diesem Gund weniger weniger Auftrieb als der vordere Rotor. Beim Seitwärtsflug steht dem Hubschrauber wieder die volle Auftriebsleistung zur Verfügung. Die Steuerung um den Mittelpunkt erfolgt durch zyklische Blattverstellung (Neigung) eines Hauptrotors, wie beim koaxialen System.


Seitlich montierte Rotoren:
Bei diesem System ist je ein Rotor an einer Seite des Hubschraubers angebracht. Im Grunde genommen ist der seitlich montierte Rotor ein Tandemrotor, der um 90% gedreht wurde und besitzt somit die gleichen Schwächen und Vorteile. Der Hauptgrund für die Verwendung eines seitlich montierten Rotors war meist die Möglichkeit ein bestehendes Flugzeug mit diesem Rotorsystem zu versehen und so in einen Hubschrauber zu verwandeln. Die Schwierigkeit war bloß die Stabilität der Aufhängungen, da das gesamte Gewicht des Hubschraubers mit Zuladung auf diesen beiden Punkten ruht.


Ineinander kämmende Rotoren:
Dieses Rotorsystem verwendet zwei schräg zueinander angeordnete, gegenläufige Rotoren. Bei der Rotation überschneiden sie sich in ihrer schrägen Laufbahn. Da mehrere Rotoren sich in ihrer Bahn treffen und zerstören würden, werden. nicht mehr als zwei Rotoren verwendet. Der Vorteil des Systems ist, dass die Schräglage der Rotoren eine Beeinflussung der Auftriebskraft durch die auftretenden Luftverwirbelungen fast verhindert und so kaum zu Leistungsverlusten des Triebwerks führt. Die Steuerung erfolgt hier durch Veränderung des Drehmoments eines Rotors. Beim Autorationsflug kehrt sich die Wirkung der Pedale jedoch um, was in Stresssituationen eine große Gefahr für den Piloten birgt. Dieser Effekt wird durch ein spezielles System wieder umgekehrt. Ferner ist zu erwähnen, dass die Enden der Rotorblätter nahe dem Erdboden rotieren und so für Menschen eine Gefahr darstellen.


Blattspitzenantrieb:
Das Grundprinzip des Blattspitzenantriebs ist, wie der Name schon sagt, das Rotorblatt durch eine Kraft an der Spitze anzutreiben. Da die Antriebskraft nicht über eine Welle am Rotorschaft übertragen wird, kann bei diesem System kein Drehmoment erzeugt werden, wodurch die volle Leistung für den Auftrieb genutzt werden kann. Um den Rotor an der Blattspitze anzutreiben, wurden verschiedene Systeme entwickelt. Einerseits wurden kleine Strahltriebwerke verwendet, die an den Rotorblättern angebracht wurden. Eine andere Möglichkeit war die Komprimierung von Luft, die nochmals an der Blattspitze verbrannt wurde und so einen Rückschub erzeugte. Der Nachteil war der immense Lärm und Treibstoffverbrauch. Der einzig erfolgreiche Hubschrauber war der Sud-Quest SO 1221 Dijnn, welcher einen Kompressor verwendete, der genügend Leistung erbrachte um das Rotorblatt ohne Verbrennung der Luft anzutreiben.

Notar-System:
Notar (No Tail Rotor) ist ein von McDonnell Douglas patentiertes System zum Drehmomentausgleich. Die Abluft des Hauptrotors wird hierbei durch ein Verdichterrad im Rumpf beschleunigt und in den Heckausleger geblasen. Am Heck befindet sich ein drehbares Endstück, welches über die Heckrotorpedale gelenkt wird, und die beschleunigte Luft kann so in die gewünschte Richtung für das Gegendrehmoment ausgeblasen werden. Dieses System wird jedoch hauptsächlich im Schwebeflug oder bei langsamer Fluggeschwindigkeit zum Drehmomentausgleich verwendet. Im Vorwärtsflug übernehmen die Lenkung des Hubschraubers lenkbare Stabilisierungsflossen. Zusätzlich wird der Rotorabwind durch ein links angebrachtes Störblech gebremst. Hierdurch entsteht ein seitlich wirkender Auftrieb, der einen Teil des Drehmomentes kompensiert. Ferner ist zu erwähnen, dass der Hubschrauber erheblich leiser ist, da der Hauptlärm, der sonst durch die Luftverwirbelungen zwischen Haupt- und Heckrotor entsteht, nicht hervorgerufen werden kann (kein Heckrotor). Hinzu kommt der Wegfall einer Gefährdung durch den Heckrotor für Personen.


Der "Tiltrotor" bzw. das "Kipprotorflugzeug":
Das Tiltrotor-System ist eine Kombination aus einem Hubschrauber und einem Flugzeug. Man stelle sich ein normales Flugzeug mit Tragflächen vor, an deren Enden jeweils ein kleiner Rotor montiert ist. Beim Start und beim Schwebeflug ist der Rotor nach oben gerichtet und das Flugzeug kann so wie ein Hubschrauber senkrecht starten und landen und in der Luft schweben. Wenn der Tiltrotor erst einmal in der Luft ist, werden die Rotoren nach vorne gekippt und fungieren so als normale Propeller. Die Rotoren verleihen dem Tiltrotor nun wie eine Flugzeug Geschwindigkeit, wodurch die Tragflächen den nötigen Auftrieb erzeugen können. Der Vorteil des Kipprotorflugzeuges ist somit die Vereinigung der Flugeigenschaften eines Hubschraubers mit der hohen Geschwindigkeit eines Flugzeuges, welche zudem weniger Energie benötigt. Es ist daher in der Lage wie ein Hubschrauber, senkrecht zu starten und zu landen, auf der Stelle zu schweben und sich um die eigene Achse zu drehen. Ferner kann es wie ein Flugzeug wesentlich schneller und kostengünstiger als ein Hubschrauber fliegen.

(siehe Bell / Boeing V-22 Osprey)

Wie bewegt sich ein Hubschrauber horizontal ?

Um beispielsweise geradeaus zu fliegen, muss der Pilot die Auftriebsrichtung nach vorne richten bzw. "die Rotorkreisfläche nach vorn unten neigen". Der Pilot betätigt den Steuerknüppel nach vorne und kippt somit ebenfalls die Taumelscheibe des Rotorschaftes nach vorne. Der Anstellwinkel und somit der Auftrieb des rücklaufenden Blattes, welches sich von vorne betrachtet hinter dem Rotorschaft befindet (Position 180°), wird durch die Stellung der Taumelscheibe erhöht. Durch die Kreisbewegung unterliegen die Rotorblätter einer ständigen Änderung des Anstellwinkels, der Auftrieb im hinteren Teil bleibt jedoch konstant erhöht. Die Auftriebskraft wirkt nun nicht mehr vertikal nach oben, sondern diagonal (schräg nach oben-voraus). Der Hubschrauber kippt nun nach vorn und nimmt an Geschwindigkeit zu (er fliegt nach vorne). Da die Auftriebskraft nun nicht mehr hauptsächlich nach oben wirkt, sondern nach oben und nach vorne, muss der Pilot insgesamt mehr Auftrieb erzeugen (kollektive Blattverstellung) um die Höhe konstant zu halten.
Sehr agile Hubschrauber (z.B Eurocopter Tiger, Eurocopter BO105) sind auch in der Lage bei einer starken seitlichen Bewegung eine Rolle zu vollführen.

Bei niedriger Geschwindigkeit oder im Schwebeflug ist der Hubschrauber in der Lage, sich um seine eigene Achse zu drehen. Diese besondere Eigenschaft verdankt der Hubschrauber dem eigentlich störenden Drehmoment. Wie im Kapitel Das Drehmoment besprochen, würde der Hubschrauber sich ohne die speziellen Rotoranordnungen aufgrund des Drehmoments selbstständig drehen. Fast alle Rotoranordnungen zur Kompensierung des Drehmoments basieren auf dem Prinzip zweier Hauptrotoren, die in gegenläufiger Richtung rotieren. Lediglich das Haupt-Heckrotor-Prinzip verwendet einen kleinen Rotor, der durch seine senkrechte Anordnung am Heck für einen "Auftrieb" auf horizontaler Ebene (links oder rechts) sorgt und so dem Drehmoment entgegen wirkt.
Damit der Hubschrauber sich nun dreht, wird einfach der "Auftrieb" also die Kraft, die einer der beiden Hauptrotoren bzw. der Heckrotor ausübt, dementsprechend verringert oder erhöht (kollektive Blattverstellung). Verringert man die Kraft, so dreht sich der Hubschrauber aufgrund des Drehmoments, das nun nicht mehr ausgeglichen wird. Erhöht man die Kraft, so wird eine Kraft erzeugt, die stärker als das Drehmoment ist und der Hubschrauber dreht sich in die entgegengesetzte Richtung.

Steuerung: Die Steuerung der Rotoren für eine Drehung um die eigene Achse wird über die Richtungskontrollpedalen gehandhabt (kollektive Blattverstellung).

Wiederholung: Ein Hubschrauber wird demnach über zwei Arten der Rotoransteuerung in horizontaler und Vertikaler Bewegungsrichtung gesteuert. Die Drehung um die eigene Achse wird durch eine erhöhte Kompensation oder zulassen des Drehmomentes erreicht.

• Kollektive Blattverstellung
  Der Kollektivhebel (Pitch) steuert die Taumelscheibe über Hydraulik (Steuerstangen) an und verschiebt diese parallel nach oben oder unten. Alle Rotorblätter erfahren eine gleichzeitige und gleichmäßige Änderung des Anstellwinkels, der Auftrieb aller Rotorblätter und somit der gesamten Rotorkreisfläche wird geändert. Der Hubschrauber sinkt oder steigt. (vertikale Bewegung) Im Gegensatz zum Steuerknüppel unterliegt der Kollektivhebel keiner Rückstellkraft, sprich er verharrt in seiner bewegten Position und liefert konstant die gewünschte Ansteuerung (bzw. Leistung). Der Pilot hat somit (für kurze Zeit) eine Hand für Instrumente etc. frei.
  
  
• Zyklische Blattverstellung
  Der Steuerknüppel (Stick) steuert die Taumelscheibe über Hydraulik (Steuerstangen) an und versetzt diese in eine Schräglage. Die Rotorblätter erfahren periodisch und somit ungleichmäßig eine Änderung des Anstellwinkels. Dies führt zu einer Änderung des Auftriebes eines Abschnittes der Rotorkreisfläche, woraus eine Kippen des Hubschraubers resultiert und dieser seine Bewegungsrichtung ändert. (horizontale Bewegung)

Hubschrauber und Flugzeug im Vergleich

Dieses Kapitel soll durch einen kurzen Vergleich von Hubschrauber und Flugzeug nochmals einen Rückblick auf die Physik geben und Irrtümer der Fliegerei ausmerzen.

Wie zuvor besprochen kann ein Körper fliegen indem er Auftrieb erzeugt. Es wurde desweiteren erwähnt, dass die Geschwindigkeit (Vorwärtsbewegung) eine Voraussetzung für die Teilung des Luftstromes und letztendlich für den benötigten Auftrieb ist. Ferner wird der Auftrieb maßgeblich durch eine Änderung des Einstellwinkels und somit des Anstellwinkels beeinflusst, nicht in erster Linie durch die Geschwindigkeit.

Bei einem Flugzeug (Starrflügler) wird der Auftrieb durch die seitlich positionierten (starren) Tragflächen erreicht. Die Geschwindigkeit wird durch Propeller oder Turbinen erzeugt, die einen Sogeffekt hervorrufen und das Flugzeug nach vorne ziehen. Bei Düsenflugzeugen (Jets) und Raketen wird die Geschwindigkeit durch einen Rückschub erreicht.
Propeller und Turbinen von Flugzeugen dienen lediglich der Überwindung (Kompensation) des Widerstandes, den das Luftfahrzeug aufgrund seiner Form aufweist. Sie dienen nicht der Auftriebsgewinnung bzw. Kompensation der Schwerkraft, wie bei einer Rakete. Flugzeuge besitzen in der Regel einen festen Einstellwinkel der Tragflächen und können diesen nicht einfach wie ein Hubschrauber ändern. In der Aerodynamik zählt am Ende der Anstellwinkel, der Einstellwinkel ist bei der Konstruktion von Luftfahrzeugen von Bedeutung um ihre aerodynamischen Eigenschaften optimal zu gestalten. Um das Profil stärker in den Wind zu stellen bzw. den Anstellwinkel zu erhöhen muss das gesamte Flugzeug seine Lage zum Wind bzw. zum Boden ändern. Der Pilot ändert die Stellung des Höhenleitwerks am Heck und erzeugt an dieser Stelle einen Abtrieb (keinen Auftrieb) der das Heck absinken und die Nase des Flugzeuges anheben lässt. Das gesamte Flugzeug und somit auch die Tragflächen (Anstellwinkel) wurden angestellt und der Auftrieb dadurch erhöht.
Ein Flugzeug, welches schräg in den Himmel steigt, gewinnt somit nicht an Höhe, weil die Turbinen in diese Richtung zeigen, sondern weil der Auftrieb infolge des vergrößerten Anstellwinkels erhöht wurde. Der Einstellwinkel ist bei der Konstruktion von Luftfahrzeugen von Bedeutung, um ihre aerodynamischen Eigenschaften optimal zu gestalten.

Ein Hubschrauber hingegen hat mehrere Tragflächen, meist zwei oder vier, die Rotorblätter genannt werden. Diese Rotorblätter sind an dem Rotorschaft oberhalb des Rumpfes befestigt und bilden infolge der Rotationsbewegung eine Kreisfläche. Die Vorwärtsbewegung der Rotorblätter ist damit erfüllt, auch wenn sie sich im Kreis drehen, und erzeugen so Auftrieb. Der Hubschrauber ändert seinen Auftrieb indem er durch die kollektive Blattverstellung den Einstell- und somit den Anstellwinkel aller Rotorblätter verändert. Er ändert seine Bewegungsrichtung indem er mittels der zyklischen Blattverstellung den Einstellwinkel- und somit den Anstellwinkel periodisch beeinflusst und der Auftrieb der Kreisfläche nur einseitig verändert wird. Ein ?reiner Hubschrauber? (keine Trag-, Flug- oder Verbundschrauber) ändert seinen Auftrieb und seine Bewegungsrichtung/ Beschleunigung nur mittels der Beeinflussung der Rotorblätter bzw. Rotorkreisebene. Er nutzt keinerlei zusätzliche Auftriebs- oder Beschleunigungshilfen, die Turbinen dienen ausschließlich dem Antrieb der Rotorblätter.

Die Auftriebs-Asymmetrie

Geometrischen Gesetzen zufolge muss ein Punkt auf einer Kreislinie eine umso größere Strecke für eine komplette Umdrehung zurücklegen, je größer der Umfang des Kreises ist. Genauso kann man ein Rotorblatt in solche Punkte zerlegen, das um den Rotorschaft rotiert. Dies bedeutet, dass ein Punkt an der Blattspitze eine größere Strecke als ein Punkt in der Nähe des Rotorschaftes zurücklegen muss. Das gesamte Blatt, also alle Punkte, führen eine Umdrehung jedoch zeitgleich durch. Dies hat zur Folge, dass die Punkte an der Blattspitze sich schneller bewegen (müssen), als die Punkte in der Nähe des Rotorschafts. Aus diesem Grund erzeugt der Blattabschnitt in der Nähe des Rotorschafts weniger Auftrieb als der Abschnitt an der Blattspitze, da dieser sich mit einer geringeren Geschwindigkeit fortbewegt. (siehe Auftrieb)
Der Unterschied zwischen den, von verschiedenen Abschnitten eines Rotorblatts erzeugten, Auftriebswerten heißt Auftriebs-Asymmetrie. Um diese Auftriebs-Asymmetrie auszugleichen sind die Rotorblätter in sich leicht verdreht. Der Einstellwinkel des Blattes nimmt daher von der Blattspitze hin zum Rotorschaft zu und verstärkt dadurch den Auftrieb des Bereichs nahe des Rotorschaftes. (siehe Anstellwinkel) Durch diese Konstruktion wird somit ein gleichmäßiger Auftrieb entlang des gesamten Rotorblatts erzeugt.

Luft-Kompression

Wie bisher besprochen erzeugen Rotorblätter einen desto größeren Auftrieb, je schneller sie rotieren. Diese Regel gilt jedoch nicht mehr, wenn sich die Blattgeschwindigkeit der Schallgeschwindigkeit nähert. Ab diesem Punkt wird die Luft um die Rotorblätter herum komprimiert und eine Schockwelle erzeugt, welche an der Unterseite Geschwindigkeiten zwischen Mach 0,5 und 0,6 und an der Oberseite bis zu Mach 0,9 erreicht. Dieses Phänomen wird als Luft-Kompression bezeichnet. Die Rotorblätter eines Hubschraubers können diese Schockwelle und die damit verbundene Winkelverstellung nicht verkraften. Im Gegensatz zum Flugzeug liegt die maximale Fluggeschwindigkeit des Hubschraubers daher bei ca. 200 Knoten. Die Luftkompression stellt für den Hubschrauber ein viel größeres Problem dar als für Flugzeuge, da die Geschwindigkeit der vorlaufenden Rotorblätter sich aus der Summe der Vorwärtsgeschwindigkeit der Maschine und der Rotationsgeschwindigkeit der Blätter zusammen setzt. Gehen wir einmal davon aus, dass ein Hubschrauber sich mit 250 Kilometer pro Stunde vorwärts bewegt und dass der Rotor eine Rotationsgeschwindigkeit von 650 Kilometer pro Stunde hat. Das vorlaufende Blatt bewegt sich in die selbe Richtung wie der Hubschrauber. Daher ist die Geschwindigkeit, der über das Blatt strömenden Luft, gleich der Summe der beiden einzelnen Geschwindigkeiten (250+650=900). Obwohl das Rotorblatt eine Rotationsgeschwindigkeit von 650km/h hat, beträgt die relative Geschwindigkeit 900km/h, also fast Schallgeschwindigkeit. Durch diesen Geschwindigkeitszuwachs erhält das Rotorblatt wiederum zusätzlichen Auftrieb. (siehe Auftrieb). Dieser zusätzliche Auftrieb wird "Translationsauftrieb" genannt. Durch verschiedene Modifikationen der Rotorblätter kann man die maximale Vorwärtsgeschwindigkeit eines Hubschraubers bis zu ca. 370 km/h "hinauszögern". Beim zurücklaufenden Blatt tritt der gegenteilige Effekt ein. Hier wird die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers von der Rotationsgeschwindigkeit der Rotorblätter subtrahiert (650-250=400km/h). Dieser Auftriebsunterschied stellt wiederum eine Auftriebs-Asymmetrie dar.

Fassen wir nun die Aussagen aus den Kapiteln "Die Auftriebs-Asymmetrie" und "Luft-Kompression" zusammen, so lässt sich ein allgemeiner Rückschluss auf die Umdrehungszahl des Rotors folgern. Wie bereits gesagt, muss ein Punkt auf einer Kreislinie eine umso größere Strecke für eine komplette Umdrehung zurücklegen, je größer der Umfang des Kreises ist. Des Weiteren darf die Summe aus Rotationsgeschwindigkeit und Vorwärtsgeschwindigkeit, also die relative Geschwindigkeit, nicht Schallgeschwindigkeit erreichen (um die 900 km/h). Dies bedeutet, dass ein Rotor mit langen Rotorblättern eine niedrigere Umdrehungszahl hat, als ein Rotor mit kurzen Rotorblättern. Denn desto länger das Blatt, desto größer wird die Strecke, die das Ende des Blattes zurücklegen muss und desto schneller wird die Schallgeschwindigkeit erreicht. Der Sikorsky S-65 Sea Stallion /CH-53 hat beispielsweise eine Rotorblattlänge von ca. 11m, wobei die Geschwindigkeit des Hauptrotors 185 U/min beträgt. Die Blattlänge des Bell UH-1D beträgt ca. 7m, ist also 4m kürzer und die Geschwindigkeit des Hauptrotors hingegen liegt bei 324 U/min.

Rotorsysteme

Damit der Rotor nicht zerstört wird, müssen die oben besprochenen Kräfte minimiert werden. Hierfür gibt es folgende verschiedene Rotorsysteme, die diese Kräfte "abdämpfen".

Schlag- und Schwenkgelenke
Bei voll gedämpften Rotorsystemen befindet sich an jedem Rotorblattgriff je ein Gelenk, welches dem Rotor ermöglicht, sich nach oben und unten bzw. nach vorne und hinten "frei" zu bewegen, ohne diese Bewegung über den Rotorkopf auf den Rumpf zu übertragen.

Halbstarre Rotoren
Bei halbstarren Rotorsystemen sind zwei Rotorblätter fest über ein Mittelstück verbunden, das freischwingend am Rotorkopf aufgehängt ist. Das nach oben schwingende und das nach unten schwingende Blatt gleicht die Auftriebs-Asymmetrie damit zwangsweise aus.

Gelenklose Rotoren
Bei gelenklosen Rotoren nimmt das Rotorblatt selbst die gesamten Bewegungen (Kräfte) auf. Die Rotorblätter müssen daher aus hochwertigem Material bestehen, um diese Bewegungen absorbieren zu können, damit sie nicht selbst beschädigt werden. Hubschrauber mit gelenklosen Rotoren sind sehr direkt in der Umsetzung der Steuereingaben und daher in ihrer Bewegung sehr agil.

Der Konuswinkel

In dem Maße, wie der Hubschrauber Auftrieb erzeugt, heben sich die Rotorblätter aus der Horizontalen und bilden eine Art Kegel. Dies geschieht, da der Auftrieb auf das gesamte Blatt einwirkt, dieses aber nur ein Ende bewegen kann. --Man bedenke, dass das Rotorblatt am Rotorschaft befestigt ist und die gesamte Auftriebskraft daher an der Blattspitze wirkt.--
Je größer der Kegeleffekt, desto geringer ist jedoch der erzeugte Auftrieb. Der Grund hierfür liegt in der Tatsache, dass sich aufgrund der Kegelstellung die wirksame Rotorscheibenfläche verringert. Die wirksame Rotorscheibenfläche ist der Bereich, der von einem Blatt während einer Umdrehung abgedeckt wird. Wenn die Blätter in Kegelstellung sind, verkürzt sich der Durchmesser der Rotorscheibe bzw. der Wirkungsfläche für den Auftrieb und der Hubschrauber erzeugt weniger Auftrieb. Aus diesem Grund und der geringeren Geschwindigkeit ist ein Hubschrauber in seiner Gipfelhöhe eingeschränkter als ein Flugzeug.
Die Dienstgipfelhöhe des McDonnell Douglas AH-64 A Apache beträgt 6400 m. Den Höhenrekord hält der AS 350 B2 Ecureuil mit 12954m, aufgestellt am 25. März 2002. Ein Kampfjet, der Eurofighter beispielsweise, weist eine Dienstgipfelhöhe von 16765m auf. Verkehrsflugzeuge fliegen normalerweise in einer Reisehöhe von 10000m-12000m.

Der Abwind

Bei der Rotation der Rotorblätter wird Luft nach unten gepresst. Luftmassen knapp außerhalb der Rotorscheibe fließen nach oben, fallen und werden durch die Rotorscheibe nach unten gepresst. Dieser Luftstrom wird als "induzierter Strom" oder "Abwind" bezeichnet. Der Abwind stellt beim Normalflug und bei langsamen Höhenveränderungen kein Problem dar und kann sogar für eine Erhöhung des Auftriebes im Schwebeflug verwendet werden. Bei Sturzflügen mit über 30 Grad allerdings kann der Abwind extrem gefährlich werden.

Der Bodeneffekt / IGE

Wenn ein Hubschrauber in ca. 50 Fuß langsam über den Boden fliegt oder sogar schwebt, drückt der Abwind gegen die Bodenoberfläche. Dies erzeugt eine Art Luftkissen, da die Luft vom Boden "abprallt" und wieder auf die Rotorscheibe zuströmt. Ebenfalls geläufig ist der englische Ausdruck "IGE" (In-Ground-Effect). Beim langsamen Flug kann IGE sehr nützlich sein, da der Hubschrauber so zusätzlichen Auftrieb erhält ohne mehr Energie aufzuwenden. Beim Landen ist dieser Effekt eher etwas lästig, da es das Landen erschwert.

Befindet sich der Hubschrauber am Boden, so muss ferner die Wirkung der Bodenresonanz beachtet werden. Eine Schwingung, durch den sich drehenden Rotor erzeugt, wird über die Fahrwerke auf den Boden übertragen, von dort reflektiert und wirkt sich addierend auf die Stärke der Schwingung (Amplitude) aus. Hierdurch kann sich der Hubschrauber aufschwingen und im Extremfall umkippen, was aufgrund der laufenden Rotoren fatal wäre.

Der Wirbelringzustand

Autorotations-Landung

Eine Autorotations-Landung ist eine Landung ohne Triebwerkunterstützung, mit deren Hilfe ein Pilot im Falle eines Triebwerkausfalls oder Triebwerkabfalls sicher landen kann. Die Autorotation ist vergleichbar mit dem Segelflug von Starflüglern (Flugzeuge). Sollte es zu einem Ausfall der Turbine oder Abfall der Leistung kommen, würde die Drehzahl des Rotors rapide absinken und die Rotorblätter könnten nicht mehr genug bzw. keinen Auftrieb erzeugen. Der Hubschrauber würde nach kurzer Zeit unweigerlich abstürzen. Bei einem Flugzeug würde man versuchen durch Schweben bzw. einen Gleitflug eine möglichst sanfte Landung hinzubekommen. Bei einem Hubschrauber muss der Pilot ein ähnliches Manöver einleiten, den Autorotationsflug.
Der Pilot muss zuerst in einen leichten "Sturzflug" übergehen, lässt den Anstellwinkel der Rotorblätter aber in der Ausgangsstellung (Nullstellung). Was auf den ersten Blick selbstmörderisch klingen mag, ergibt jedoch bei näherer Betrachtung der Physik einen Sinn. Durch die hohe Sinkrate gewinnt der Hubschrauber an Geschwindigkeit bzw. die Luft, welche nun über das Blatt strömt. Aufgrund des Luftstromes werden die Rotorblätter in Rotation versetzt und gewinnen mit der Zeit ebenfalls an Geschwindigkeit. Haupt- und Heckrotor werden bei diesem Manöver vom Antrieb getrennt bzw. ausgekuppelt und so in einen Freilauf gestellt. Genauer gesagt, eine so genannte "Freewheeling Unit", ein Bauteil des Antriebs, trennt den Antrieb von der Antriebswelle, welche Haupt- und Heckrotor verbindet, und verhindert so ein Abbremsen des Haupt- und Heckrotors durch die Trägheit des Antriebs. Da der Heckrotor über die Antriebswelle mit dem sich, durch die strömende Luft, drehenden Hauptrotor verbunden ist, gerät dieser ebenfalls in Rotation und sorgt so automatisch für eine stabile Flugrichtung. Der Pilot muss daher nicht mittels der Pedale die Heckrotorkraft steuern, um das leichte Drehmoment zu kompensieren. (der Hauptrotor erzeugt duch die Nullstellung des Anstellwinkels nahezu keinen Wiederstand bzw. Drehmoment)
Der Pilot zieht nun den Kollektivhebel (Pitch) zuerst in einer Höhe von etwa 50 Fuß über Grund leicht und daraufhin in einer Höhe von 10 Fuß kurz und heftig an und verändert so erst leicht (bei 50 Fuß) und daraufhin sehr stark (bei 10 Fuß) den Anstellwinkel der Rotorblätter. Durch die hohe Sinkrate und die daraus resultierende hohe Geschwindigkeit der Luft, die über das Rotorblatt strömt und dem nun veränderten Anstellwinkel der Rotorblätter wird nun erst der wichtige Auftrieb erzeugt. Bei leichter Veränderung des Anstellwinkels in Höhe von 50 Fuß wird sowohl der Vorwärtsflug als auch die Sinkrate abgebremst. Bei der starken Veränderung des Anstellwinkels in 10 Fuß Höhe wird die Sinkrate deutlich verringert, die Nase des Hubschraubers hebt sich, das Heck hingegen sinkt. Man kann zudem merklich hören, wie sich der Anstellwinkel der Rotorblätter ändert und die Rotordrehzahl sinkt (Luftwiderstand).
Der Pilot muss nun eventuell durch Drücken der Pedale (je nach Hubschrauber linkes oder rechtes Pedal) die Kraft des Heckrotors steuern, um das durch den plötzlich auftretenden Luftwiderstand erzeugte Drehmoment zu kompensieren. Damit der Hubschrauber nicht mit den hinteren Kufenenden oder schlimmstenfalls mit dem Heckausleger aufsetzt, muss der Steuerknüppel nach vorne gedrückt werden, um den Hubschrauber in die Horizontale zu bringen. Nachdem der Hubschrauber die letzten paar Fuß gesunken ist, zieht man erst einen Fuß vor dem Aufsetzen leicht den Steuerknüppel, um so sanft wie möglich zu landen.
Der Anstellwinkel der Rotorblätter sollte jedoch nicht zu viel und nicht zu früh erhöht werden, ansonsten geht die Rotordrehzahl zu weit runter und kann so zu Schäden am Heckausleger wegen Resonanzschwingungen führen. Der Hubschrauber landet so mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 Knoten und schleift die Landebahn entlang. Diese Landung wird als "Run-on" oder "Running Landing" bezeichnet. Die Landung kann auch mit 0 Knoten durchgeführt werden und wird dann als vertikale Autorotation bezeichnet. Sie ist zwar etwas schwieriger, jedoch erforderlich, falls keine geeignete Landebahn in Sicht ist.
Die Bewegungsenergie wurde demnach in Auftriebsenergie umgewandelt und durch den Luftwiderstand verringert. Eine Autorotations-Landung ist demnach nur möglich, wenn der Notfall in genügender Höhe eintrifft und/oder der Hubschrauber genügend Geschwindigkeit besitzt. Ansonsten kann nicht genügend Geschwindigkeit aufgebaut werden, um zum Schluß den nötigen Auftrieb zu erzeugen.

Schlusswort

Nachdem sie nun das Techniklexikon durchgegangen sind und die Physik des Hubschraubers, so hoffe ich, verstanden haben, werde ich nun abschließend auf die Schwierigkeit eingehen einen Hubschrauber zu fliegen, falls ihnen dies noch nicht klar geworden ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Flugzeugen, ist ein Hubschrauber immer instabil. Daher muss der Pilot ständig die drei Steuerungsorgane des Hubschraubers betätigen um den Hubschrauber in der Luft zu halten. 1.) Steuerknüppel (Stick) zur zyklischen Blattverstellung für die Richtungsänderung. 2.) Kollektivhebel (Pitch) zur kollektiven Blattverstellung für die Steuerung des Auftriebs. 3.) Pedale zur Regulierung der Heckrotorkraft.
Nehmen wir einmal an, der Pilot will aus einem leichten Steigflug, noch besser, aus dem Schwebeflug (Hover) in einen schnellen Vorwärtsflug übergehen. Hierzu betätigt er den Steuerknüppel nach vorne. Da die Auftriebskraft nun geteilt wird (nach vorne und nach oben), muss der Pilot den Kollektivhebel betätigen um mehr Auftrieb zu erzeugen, damit der Hubschrauber nicht an Höhe verliert. Durch die Erhöhung des Auftriebes, indem der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert wurde, ist auch das Drehmoment gestiegen. Durch das erhöhte Drehmoment würde sich der Hubschrauber jedoch leicht drehen und vom Kurs abkommen. Daher betätigt der Pilot die Pedale um das Gegendrehmoment in die entsprechende Richtung (je nach Hubschrauber) zu erhöhen und das Drehmoment so zu kompensieren. Wie sie an diesem einfachem Beispiel erkennen können, ist der Flug eines Hubschraubers ein ständiges Wechselspiel der drei Steuerungsorgane. Die Vorgänge, die hier so leicht beschrieben wurden müssen fast alle gleichzeitig korrekt durchgeführt werden und erfordern eine gute Ausbildung und Erfahrung. Ferner war dies ein leichtes Manöver, logischerweise erhöht sich die Belastung des Piloten bei einer Verkettung von Manövern.
Ein weiterer Aspekt ist, wie bereits gesagt, die Instabilität des Hubschraubers. Solange ein Hubschrauber in Bewegung ist, also Geschwindigkeit hat, verhält er sich relativ ruhig und kann bei normalen Flug überwiegend mit dem Stick (Steuerknüppel), also nur mit Hilfe der Änderung der Auftriebsrichtung des Hauptrotors geflogen werden. Lediglich bei extremeren Flugmanövern, die damit Geschwindkeits- und/oder Flugänderungen beinhalten, müssen Kollektiv und die Pedale hinzugezogen werden. Sobald der Hubschrauber jedoch keine Geschwindigkeit hat, sich also im Schwebemodus (Hover) befindet, dies gilt auch für Start und Landung, ist der Hubschrauber extrem instabil und wird fast nur mit den Pedalen gesteuert. Eine Betätigung des Sticks wäre nahezu fatal, da der Hubschrauber ausbrechen würde und nicht so leicht wieder zu stabilisieren wäre. (gerade für unerfahrene Piloten eine heikle Situation, da sie viel Übung und Erfahrung erfordert). Start, Landung und das Hovern sind demnach die schwierigsten Abschnitte eines Fluges. Wird nun das Gewicht des Hubschraubers erhöht, oder sogar eine hängende Last befestigt, die Ausschwenken und ins Pendeln geraten kann, und dennoch punktgenau abgesetzt werden muss (Schwerlastflüge + Hovern), so erfordert dies selbst von den erfahrensten Piloten äußerste Konzentration.