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

Aerodynamik
Helikopter im Schwebeflug

 

Gegenüber den Flächenflugzeugen können die Hubschrauber in der Luft stehen bleiben. Dies ist möglich, da die Hauptrotorblätter, wegen der Rotation immer durch die Luft angeströmt werden und dadurch den notwendigen Auftrieb liefern. Ein Flächenflugzeug erzeugt den Auftrieb erst, wenn eine genügend hohe Vorwärtsgeschwindigkeit erreicht ist.
Im Schwebeflug werden wir, der Einfachheit halber, den Rotor als eine Scheibe betrachten und nicht die Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt untersuchen. Dies ist möglich, da die aerodynamischen Kräfte einigermassen symmetrisch, über die gesamte Rotorscheibe verteilt sind.
Damit sich ein Helikopter in der Luft halten kann, muss der Auftrieb genau gleich gross, wie sein Gewicht sein (Abb 8).

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Abb 8

Wird nun bei allen Rotorblättern mit der kollektiven Blattverstellung gleichzeitig der Anstellwinkel erhöht, wird der Luftdurchsatz von oben nach unten durch die Rotorscheibe grösser, der Auftrieb nimmt zu und der Helikopter beginnt an Ort zu steigen (Abb 9).
Reduziert man den Anstellwinkel wird der Gesamtauftrieb kleiner, und der Hubschrauber beginnt sinngemäss zu sinken (Abb 10).

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Abb 9

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Abb 10

Wegen der Drehung des Hauptrotors entsteht ein Moment, welches bewirkt, dass sich der Rumpf entgegen der Drehrichtung des Hauptrotor dreht. Diese ungewollte Drehung wird durch den senkrecht stehenden Heckrotor korrigiert (Abb 11). Je grösser die Leistung des Hauptrotors ist, desto grösser ist auch das Drehmoment, und entsprechend mehr muss der Heckrotor leisten, um das Drehmoment zu korrigieren.
Da der Heckrotor einen bestimmten horizontalen Schub produziert, hat der Helikopter die Tendenz sich in die entsprechende Richtung zu verschieben. Die Richtung ist abhängig von der Drehrichtung des Hauptrotors.

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Abb 11

Dieses seitliche Versetzen muss wiederum mit dem Hauptrotor korrigiert werden. Der Luftstrom, auch Downwash genannt, wird leicht entgegen der Verschieberichtung geleitet, wodurch der Hubschrauber im stationären Schwebeflug bleibt.

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Abb 12

Die Kräfte des Haupt- und Heckrotors wirken bei vielen Hubschraubern nicht in der gleichen horizontalen Ebene. Aus diesem Grund kann es sein, dass der Helikopter im Schwebeflug nicht horizontal, sondern mit einer leichten Querlage da steht. Ob die Querlage links oder rechts ist, hängt primär wieder von der Drehrichtung des Hauptrotors ab (Abb 12).

Der Schwebeflug benötigt in der Regel mehr Leistung als der Vorwärtsflug. Eine wesentliche Rolle für die Leistungsfähigkeit spielt vor allem die Luftdichte. Je dichter die Luft, desto weniger muss der Antrieb leisten und desto mehr Gewicht kann der Hubschrauber tragen. Da mit zunehmender Flughöhe die Luftdichte abnimmt, muss das Gewicht des Helikopters reduziert werden, um ihn im Schwebeflug halten zu können. Grundsätzlich kann gesagt werden, je grösser die Aussentemperatur und je höher die Flughöhe ist, desto kleiner ist die Leistungsfähigkeit des Hubschrauber.
Einen weiteren Einfluss auf die Leistung hat der Downwash. Kann der Luftstrom ungehindert abfliessen, nennt man diesen Zustand Schwebeflug ausserhalb Bodeneffekt (hover out of ground effect, OGE) (Abb 13).

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Abb 13

Schwebt der Helikopter in der Nähe des Bodens, nennt man dies Schwebeflug im Bodeneffekt (hover in ground effect, IGE). Durch den Downwash, welcher zur Seite abgeleitet werden muss, entsteht eine Art Luftkissen (Abb 14). Dadurch benötigt der Hubschrauber weniger Leistung für den stationären Schwebeflug.

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Abb 14

Je höher der Helikopter über dem Boden schwebt, desto kleiner ist der Einfluss des Bodeneffekts. Bei einer Schwebehöhe von ca 1.5x dem Rotordurchmesser ist kein Bodeneffekt mehr vorhanden.
Einen grossen Einfluss auf den Bodeneffekt hat auch die Bodenbeschaffenheit und vor allem die Neigung des Geländes. Je stärker der Boden geneigt ist, desto besser kann der Downwash abfliessen und desto geringer ist der Bodeneffekt.

 

 

 

 

 

 

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