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Heli-Abenteuer
© 2016 - Andreas König
  Originalquelle: http://www.hubschrauber.li/

Aerodynamik
Helikopter Autorotation

 

Um die Anströmung am Rotorblatt sicherzustellen, muss der Rotor immer angetrieben werden. Was geschieht aber wenn der Antrieb - aus welchen Gründen auch immer - ausfällt?
Da die Rotorblätter im Vorwärtsflug durch die kollektive Blattverstellung einen relativ grossen Anstellwinkel aufweisen und dadurch auch einen entsprechend grossen Luftwiderstand produzieren, fällt die Drehzahl des Rotors ohne Antrieb rapid ab. Dadurch geht selbstverständlich auch der notwendige Auftrieb verloren und der Hubschrauber stürzt innerhalb kurzer Zeit ab.
Das tönt zum Glück nur viel dramatischer als es in Wirklichkeit ist. Was bei einem Flächenflugzeug der Gleitflug ist, ist beim Hubschrauber die Autorotation. Fällt bei einem Hubschrauber während dem Flug der Antrieb aus, wird der Pilot sofort den kollektiven Blatteinstellwinkel verringern und der Hubschrauber beginnt zu sinken. Gleichzeitig wird, bedingt durch den kleineren Anstellwinkel der Luftwiderstand an den Rotorblättern wesentlich verringert.

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Abb 20

Wie wir in Abb 20 sehen können, wird der Rotor nun nicht mehr von oben nach unten, sondern von unten nach oben durchströmt. Durch die aerodynamischen Verhältnisse, welche wir noch etwas detaillierter betrachten werden, kann in diesem Zustand die Rotordrehzahl konstant gehalten werden. Um die Vorgänge in der Autorotation zu erklären, dürfen wir nicht wie bisher den Rotor als Scheibe betrachten, sondern müssen die Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt untersuchen. Und dazu schauen wir zuerst den Zusand im angetriebenen Vorwärtsflug an (Abb 21).

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Abb 21

Bei einem Flugprofil wirkt der Auftrieb immer senkrecht zur Anströmung und der Luftwiderstand in der gleichen Ebene wie die Anströmung. Da bei einem Hubschrauber die Anströmung aus einer horizontalen (Drehung des Rotors) und einer vertikalen Komponente (Luftdurchsatz von oben oder unten) besteht, sprechen wir beim Rotorblatt von einer relativen Anströmung. Da sich das Rotorblatt nach aussen hin mit einer grösseren Geschwindigkeit bewegt, die vertikale Komponente aber mehr oder weniger konstant bliebt, ändert sich die relative Anströmung konstant über die ganze Länge des Rotorblattes. Aus diesem Grund gilt die Abb 21 nur für einen kleinen Bereich am Rotorblatt. Auch der Anstellwinkel (Winkel zwischen der Profilsehne und der relativen Anströmung) ändert sich über die Länge des Rotorblattes und zwar nimmt der Anstellwinkel nach aussen hin ab.

In der Autoration kann der Rotor in drei Bereiche unterteilt werden. Der Einfachheit halber schauen wir zuerst die senkrechte Autoration an, das heisst der Hubschrauber befindet sich im senkrechten Sinkflug (Abb 22).

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Abb 22

In der senkrechten Autorotation sind die Bereiche symmetrisch über die Rotorscheibe verteilt. Dabei ist nur der antreibende Bereich für die Drehung des Rotors verantwortlich. In der Nähe des Zentrums ist die Anströmgeschwindigkeit so klein, dass sich die Rotorblätter im Strömungsabriss befinden.

Um zu erklären wie diese Bereiche zustande kommen müssen wir die aerodynamischen Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt etwas genauer untersuchen.

Im antreibenden Bereich liegen die aerodynamischen Gesamtkräfte vor der Rotationsachse des Rotors. Dadurch ergibt sich eine Kraft welche den Rotor antreibt. ar_03.gif (10591 Byte)
Abb 23
Liegen die aerodynamischen Kräfte genau auf der Rotationsachse bleibt die Drehgeschwindigkeit konstant. ar_04.gif (9217 Byte)
Abb 24
Im bremsenden Teil liegen die Gesamtkräfte hinter der Rotationsachse, was bedeutet das der Rotor abgebremst wird. ar_05.gif (11232 Byte)
Abb 25

Alle Hubschrauber sind so konstruiert, dass sich ein Gleichgewicht zwischen dem antreibenden und dem bremsenden Teil ergibt. Dieses Gleichgewicht muss vom senkrechten Sinkflug bis zu einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit sichergestellt sein. Einige Hubschrauber sind während der Autorotation in der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit eingeschränkt. Das kommt daher, weil sich der antreibende Teil mit zunehmender Geschwindigkeit verschiebt (Abb 26). Diese Verschiebung erfolgt immer in Richtung des rücklaufenden Blattes.

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Abb 26

Wird die Vorwärtsgeschwindigkeit in dieser Situation nochmals erhöht, verschiebt sich der antreibende Bereich weiter nach rechts, was schlussendlich dazu führt, dass der bremsende Teil grösser als der antreibende wird und dadurch die Rotordrehzahl nicht mehr konstant gehalten werden kann.

In der Regel wird eine Autorotation immer mit einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit geflogen. Um eine sichere Landung sicherzustellen muss diese Geschwindigkeit soweit möglich reduziert werden. Dies wird mit dem sogenannten Flare erreicht. Kurz über dem Boden nimmt der Pilot die Nase nach oben, wodurch das Sinken reduziert wird und die Geschwindigkeit abnimmt. Durch dieses Abbremsen kann vom Rotor noch mehr Energie aufgenommen werden (die Drehzahl wird erhöht) und der Hubschrauber kann eine fast normale Landung durchführen. Dies tönt sehr einfach, ist aber für den Piloten ein anspruchsvolles Manöver.

 

 

 

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