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Heli-Abenteuer
© 2016 - Andreas König
  Originalquelle: http://www.uheeren.de/pfst/chpl.htm

 

Aerodynamik


Aerodynamik PC 1:00

  • Flächengesetz???
  • Strahltheorie
  • Reynoldsche Zahl in allen Abwandlungen
  • Bernulli sollte verstanden sein
  • Kompressibilität
  • Erhöhung Ca durch?
  • Streckung des Rotorblatts ist?
  • Strömungsgesetz - was trifft zu? Luftdichte p/po wird außer Acht gelassen / Geschwindigkeit muß maximal sein können / Berechnung des H/V Diagramms / Berechnung der Rotorleistung ?
  • Strömungen von Gasen / Fluids - Abhängigkeiten von Temperatur und Druck etc.
  • Druckpunktstabilität
  • Schränkung geometrisch aerodynamisch
  • Konuswinkel fully articulated - was hat Einfluß
  • Grenzschicht - Drücke?
  • Verringerung von Widerstand wie?
  • Interferenz / induzierter Widerstand
  • induzierte Anströmung und Durchströmung
  • Schlaggelenke
  • halbstarrer - Schlagen - wird durch halbkardarnische Aufhängung übertragen (alles andere Schrott)
  • Formwiderstand / Reibungswiderstand
  • Bodenpolster
  • Absacken nach dem Losfliegen warum
  • Translational Lift?
  • Hubi im Flug statisch / dynamisch - stabil/instabil?
  • Rotorkreisflächenbelastung berechnen
  • Gewichtskraft und Scheinlot
  • Vorwärtsflug, was begrenzt Höchstgeschwindigkeit
  • retreating Bladestall wodurch begünstigt
  • Autorotation - Power-recovery außerhalb Groundeffect - worauf beim Flare achten? - Vortexgefahr, ist es richtig oder falsch Geschwindigkeit beizubehalten?
  • Bodenresonaz - wodurch entsteht sie
  • Polare mit Streckung (8 5 3)
  • Beschreibung für Hochgeschwindigkeitsprofil, mehrere Antworten möglich, u.a. Hochgeschwindigkeitsprofil, Schnellflugprofil, .....?
  • Nasenradius unterschiedliche Polare
  • gerade Verbindungslinie Anfangs- und Endpkt Skelettlinie ist : ....?
  • Wie gleicht Tandemhubi Drehmoment aus?

 

Die folgenden Aufzeichnungen sind lediglich als Anhalt zu verstehen und nicht abschließend.

Aerodynamik Grundlagen:

  • Adhäsion
  • : Reibung an Oberfl.
  • Cohäsion: Haftung Luftmoleküle. gegeneinander laminar/turbulent.
  • Ablösepunkt
  • (Stallpoint) - Punkt, an dem sich die Oberflächenströmung ablöst
  • Wolbungsline oder Skelettlinie Grafik 1 Skelettline: Wölbungsmittellinie des Profils
  • Wölbung-Abst. zw. Sehne und Skelettlinie // Dickenrücklage - Entf., dickste Stelle von Nase entfernt ist
  • Rel. Dickenlage:
  • Verhältnis Dickenlage / Profiltiefe
  • relative Dicke - Dicke / Tiefe * 100 (%), rel D.=d/t *100 // relative Wölbung - w/t * 100
  • NACA 0012 - Alouette-Profil - 12% rel. Dicke, pro 1° Anstellwinkel 0,1° Änderung des Auftriebs
  • Grenzschicht:
  • Bereich, in dem Luftmoleküle beeinflußt werden(maximale Beeinflußung)
  • Ablösepunkt:
  • Ablösung der Strömung vom Profil durch Verwirbelung am Blattende
  • Strömungsabriß:
  • Absösepunkt = Umschlagpunkt // Verringerung Stallempfindlichkeit: laminare in turbulente Strömung, Grenzschichtabsaugung / Grenzschichtanblasung, Störzäune
  • Staupunkt:
  • anströmende Luft teilt sich (oben / unten), Strömungsgeschw. <, Staudr. <, stat. Druck >
  • Formwiderstand:
  • ergibt sich aus Größe der angeblasenen Fläche (Stirnwiderstand = m²), Quadrat der relativen Luftgeschwindigkeit => v², Luftdichte d, Form des Körpers Cw
  • WR -
  • Reibungswiderst.
  • WD - Druckw. (Stirn- oder Formwiderst)
  • WI - Induzierter Widerst (Vortex)
  • ----------- WR + WD + WI = WP - Profilwiderstand
  • WZ -
  • Inteferenzwiderstand (Anschluß Fläche / Rumpf etc.) Summe: negativ=gut / positiv=schlecht
  • WN -
  • Restwiderstand oder Nebenwiderstand
  • Profilsehne: Gerade zwischen Profilvorder- / rückseite
  • Kreisflächendichte:
  • Blattfläche * 100 / Kreisfl.
  • Schränkung: geometrisch (Verwindung), aerodyn. (Profilbildung)
  • Konuswinkel:
  • Blattaußenspitzen werden durch Auftrieb angehoben
  • Profil:
  • unsymetrisch: wandern Druckpkt, wenig Widerst, => Hubschrauber sym Profile, sonst Torsion
  • Bernulli:
  • (stat. Strömungen) je höher der Staudruck, desto geringer der statische Druck. In strömenden Gasen nimmt mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit der Staudruck zu und der statische Druck ab.
  • Luft:
  • 78 % N2, 21% O2, 1% Edelgase (Argon, Krypton...) // 1 m³ @ 1,225 kg bei 15 °C / bis ca. 350 km/h wird davon ausgegangen, dass die Luft inkompressibel ist
  • Guericke
  • - spez. Gewicht Hg - 13,6 - spez. Gewicht H2O - 1 // 760 * 13,6 = 1,033 kg/cm² = p
  • 750 mm Hg @ 1000 mb = 1 b // 760 mm Hg @ 1013,25 mb (Normaldruck)
  • Standardatmosphäre:
  • +15 °C, NN, Lufdichte d = 0,125 g/cm³, 45° nördl. Breite, 0% rel. Luftfeuchte.
  • Schallgeschwindigkeit
  • [c] 0°C = 331,6 m/s - 15°C = 340 m/s (c=331+0,6*t) je wärmer, um so >

Kräfte am Profil:

 

  • E -
  • Einstellw.
  • Vt - tangentiale Anstr. - liegt in Rotornormalebene
  • Vd - Durchtrittsgeschw (Vi - mögl.)
  • Veff
  • - effektive Anströmung
  • a eff - effektiver Anstellw.
  • a ind - induz. Anstellw.
  • a ges - geometr. Anstellw. (a eff + a ind)
  • Staupunkt - Pkt wo die eff. Strömung auf das Profil trifft
  • A -
  • Auftrieb - senkrecht zur eff. Anströmung
  • Wp - Widerst. Profil - in Verlängerung zur eff. Anst., Druck-/Schwerpunkt=Ansatz für Profilwiderstand
  • R - result. Luftkraft
  • N - Normalkraft - immer rechtwinklig zur Rotornormalebene (Blattspitzenebene)
  • T- Tangentialkraft - => Leistung benötigt
  • Druckpunkt:
  • rechn. Schwerpunkt, an dem alle Luftkräfte am Profil angreifen. Der Druckpunkt wandert mit größerem Anstellwinkel nach vorne oben (nicht beim symetrischen Profil)
  • Geschwindigkeiten: -
  • Umfangs (u), induzierte (senkrecht zur Anströmung, w/2) =>
  • Auftrieb:
  • A = v² * d/2 * F * Ca (Geschw., Dichte, Profilfläche, Auftriebswert)
  • Die Zähigkeit von Gasen nimmt mit zunehmender Temperatur zu
  • Bei Hubschraubern: Schub + 2% (Abtrieb an der Zelle)
  • Widerstand:
  • W = Ca * d/2 * v2 * F (Reibung, Form, ind., Inteferenz, Neben)
  • Fw - Profilwiderstand aller auftriebserzeugender Bauteile Lfz., Fws - schädlicher Luftw. aller nicht Auftrieb erzeugender Bauteile, Fwi - W. durch Wirbelbildung an allen Bauteilen des Lfz.
  • Gelenke -
  • Schlaggelenke - Ausgleich bei Anströmung durch Fahrt, durch das Schlagen wird der effektive Anstellwinkel beim vorlaufenden Blatt verringert, beim rückläufigen vergrößert.
  • Die Schlaggelenke ermöglichen die Blattsteuerung
  • - Schwenkgelenke - hier wirkt die Corioloskraft, Blätter schlagen und verlassen normale Kreislaufbahne und eilen vor (vorlaufendes Blatt), bzw. laufen nach (rückläufiges Blatt) 2-Blattrotorsysteme brauchen keine, wenn Schlagachse über Blattachse
  • Konuswinkel
  • - je größer das Gewicht, um so größer der Konuswinkel (Winkel zwischen Rotornormalebene und
  • Erdbeschleunigung:
  • g = 9,81 m/sec²
  • Zentrifugalkraft: Z=m*v²/r
  • Mach´sche Zahl:
  • M=v/a (a=örtliche Schallgeschw.[a=39° Temp in Kelvin{knots}], v=TAS)
  • Steuer"möglichkeit" :
  • Kopfkippst.; Kopfschiebest.; Schwerpkt / Ballastst. Blattsteuerung
  • Vorwärtsflug
  • - Änderung Anströmungsrtg, Vd "kippt" nach vorne => größerer Anstellwinkel
  • Strömungsprobl. begr. Höchstgeschw. (+ Triebwerksleistung und struktuelle Grenzen)
  • Rückströmung
  • - tangentiale Anströmung geringer als Fahrt (von innen nach außen)
  • Krit. Anstellwinkel
  • - rückl. Blatt (Schlag unten), bei hoher Geschw., Strömungsabriß von außen nachinnen, Überschreiten des kritischen Anstellw. (große Beladung, hohe Geschw., hohe Außentemp, große Flughöhe => Maschine rappelt, Auswirkung 90° versetzt- Hubi kippt nach hinten re. / li.)
  • Krit. Machbereich
  • : Macheffekt - hohe Drehzahl + Anströmung (außen Machbereich, vorlaufendes Blatt "High Speed Stall" => Rappeln)
  • Schockwellen Kompressibilität bedingt Verdrehung (Torsion)
  • Kreiselpräzision
  • Auswirkung 90° versetzt
  • Übergangsauftrieb
  • oder Fahrtauftr. - Anströmung >, Anstellw. der Durchströmgeschw. ändert sich, Verwirbelung nimmt ab, kurzes Absacken (bei ca. 18 kts), dann überwiegt Auftrieb bis VY
  • Rollmomente:
  • senkrechte Anströmung am hinteren Blatt durch Konuswinkel und BSE-Neigung größer
  • Autorotation
  • : senkrechte AR außen - bremsend (ab ca. 70% der Blattlänge), innen - antreibend, ganz innen Strömungsabriß (Auswirkung der Schränkung) // Erhöhung der Drehzahl bei senkrechter AR: höhere Gewichte, geringere Luftdichte => größerer Anstellwinkel

 

  • Vorwärtsf. - schäd. W. wächst; induz. W nimmt ab.
  • vorlaufende Blatt bremst durch die Anströmung mehr, das rücklaufende Blatt treibt mehr an
  • (blauer Strich auf dem Fahrtmesser) Sicherheitszonen siehe HV-Diagramm (height / velocity)
  • Kurvenflug
  • - Zusammenhang von Vorwärtsfahrt, Kurvenradius, Querneigungswinkel und Lastvielfachem, 30° » 1,15 g (Lastvielfache); 45° » 1,41g; 60° » 2g; daraus resultiert Höhenverlust bei gleicher Leistung/Geschw. sowie Rollmoment durch Pitch (ziehen => Richtung vorlaufendes Blatt)
  • j = Phi - Bankl., Z=Zentrifugalkraft, L=Lastvielf=1/cos j, A=L, G=A * cos j, Z=A * sin j
  • Stationärer Horizontalflug:
  • Stationärer Steigflug:
  • g - Gamma = Sink-/Steigwinkel, 1 = G * cos g, 2 = G * sin g; Ausgeglichene Kräfte: Z Rotor = G * sin g * WN (Nebenwiderstand); A = G * cos g, ZR = WN, A=G, S=R
  • Rotor-Leistungsdiagramm:
  • Wirbelringstadium - Vortex Ring, Setteling with Power:
  • Ursachen: Power 20 - 100 %, Fahrt < 20 kts, sinken > 400 ft/min; Am Rand geht durch Widerst. Auftrieb verloren => ROD steigt, Strömungsabriß von innen nach außen (krit. Anstellwinkel; Anströmung von unten) Rotoraußenbereich stark erhöhte Rotordurchströmung durch Wirbelringbildung -> Erhöhung der Sinkgeschwindigkeit, Rotorinnenbereich verringerte oder nach oben gerichtete Rotordurchströmung. Anzeichen: Schwingungen, absinken NR, gieren (Abfall Heckrotordrehzahl mit NR, steigende Sinkgeschwindigkeit, Nickbewegung durch Anströmung Heckausleger
  • Stabilisierung
  • Rotor ist statisch stabil, Gesamtsystem dynamisch instabil
  • Stabilitätserhöhung: Drehzahl -> Zentrifugalkraft; schwere Blätter, Gewicht -> Zentrifugalkraft
  • Kreisflächenbelastung (F=G/F [Fluggewicht durch Tragfläche] reduzieren; Schlaggelenke weit außen elektrische / hydraulische Rückstellung (Autopilot, SAS); System Bell - mechanische Stabilisierung, keine oder weiche Dämpfer -> große Stabilität, schlechte Steuerung; System Hiller - "System Bell" mit kl. Flügeln statt Gewichten // Heckrotor - 45° Schlagelenk - Blattwinkelrückstellung
  • Zelle: horizontale (Quer- und Längsachse) u. vertikale (Hoch- und Längsachse) Stabilisierungsflossen
  • hoher Schwerpunkt, Heckrotor in Höhe Hauptrotor zur Vermeidung Rollmoment um die Längsachse
  • Strahlheorie
  • S = M * V (Schub = Masse * Beschleunigung (Geschwindigkeit))
  • M = Masse ergibt sich aus Dichte & Rotordurchmesser; V = Durchtrittsgeschw. aus Einstellw & Drehzahl
  • Ü. Blatt Unterdruck d. Ansaugen. In BSE stark Druckanstg, darunter Druckabf bis auf Außend
  • Schwingungen
  • : - Hochfreq. Triebwerk u.a.; Mittelfreq. - Heckrotor; Niederfreq. Hauptrotor (Blattspurlauf, Materialermüdung) Maßnahmen: Blatt "bügeln" (oben, Blatt läuft hoch); (Blattende) Trimmblech (unten, Blatt läuft runter) Schwerpunktverschiebung (Gewichte / Pfeilung) + Geschw. + Schw => Tracking Prob. (Auftrieb) // + Geschw. = Schw. => Unwuchtprob. (Schwerpunkt)
  • Bodenresonanz Gefahr der Zellenzerstörung durch Schwingungen
  • wenn drehzahlabh. Rotorschw. mit Eigenschwingungsresonaz vom Fahrwerks deckt durch a ) Hanglandung und harter Untergrund // b) Schwenkgelenke (Unwucht durch Masse / Seite) c) Radfahrwerk d) durch harten Landestoß (Blätter fallen aus Sternteilung); e) Einsacken Fahrwerks // f) progres. Eingreifen Kupplung Abhilfe: a) Verändern der Stickstellung // b) kritische Drehzahl verlassen // c) Blattverstelhebel leicht anheben (bei Vollast abheben) // d) nach Abstellen TW Rotorbremse betätigen
  • Heckrotor
  • erzeugt Schub entgegen Drehm. Hauptrotor // Seitliche Abdrift ( in Wirkrichtung Heckrotor) verhindert durch a) tiefliegend (Lfz. hängt zur anderen Seite); b) gleiche Höhe (Ausgleich Neigung der BSE) //Windfahneneff.: seitl. Heckanstr. durch Wind; Wirbelringstadium: zu schnelle Drehung Hochachse
  • Reynoldsche Zahl (R.Z.):
  • des Models muß mit der Reynoldschen Zahl des Originals übereinstimmen. Dann sind Test mit dem Modell auf das Original übertragbar. Je größer das Flugzeug, um so größer die R.Z.. Re krit größer => Uschlagpunkt wandert weiter nach vorn, stallunempfindlicher, höherer Ca max
  • Polardiagramm -
  • aufgelöstes Polardiagramm, Ca = Auftrieb, a = Anstellwinkel
  • Lilienthalsches PD Auflösung Ca/Cw entspricht dem Gleitverhältnis
  • Cw / 1 = Ca / x => z.B. 1:60
  • (1m Höhe zu 60m gleiten) // (Hubschrauber etwa 1:3)
  • Cw min =
  • bester Gleitwinkel // Ca max = maximaler Anstellwinkel (Ca krit)
  • Ca opt
  • = opt. Verhältnis Auftrieb / Widerstand // g = Tangente o zur Ca/Cw
  • Laminarprofil
  • Profil Hochgeschwindigkeit Langsamflug
    Profil Hochgeschwindigkeit Langsamflug
    Empfindlichkeit stark gering
    Druckpunkt instabil stabil
    Abriss früh spät
    Widerstand gering hoch
  • Leitbleche an Tragflächen
  • verhindern seitliches weglaufen der Strömung

 

 

 

 

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