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

 

Aerodynamik
Helikopter im Vorwärtsflug

 

Der wohl grösste Vorteil der Hubschrauber liegt darin, dass sie sowohl schweben, als auch vorwärts fliegen können. Der Übergang vom Schwebe- in den Vorwärtsflug wird als sogenannte Transition bezeichnet und ist ein aerodynamisch wie auch mechanisch äusserst komplizierter Vorgang. Der Einfachheit halber werden wir den Rotor als eine Scheibe und nicht die aerodynamischen Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt betrachten.
Wie bereits erwähnt, wird die Luft im Schwebeflug von oben nach unten durch den Rotor beschleunigt (Abb 15). Damit der Hubschrauber in den Vorwärtsflug übergeht, muss die gesamte Rotorscheibe nach vorne geneigt werden.

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Abb 15

Durch die Neigung nach vorne wird die Luft nicht mehr senkrecht nach unten, sondern nach hinten beschleunigt (Abb 16). Dadurch beginnt sich der Hubschrauber nach vorne zu bewegen. Da aber auch der Auftrieb nicht mehr senkrecht nach oben wirkt, muss die Leistung durch den Piloten in der Startphase leicht erhöht werden, um das richtige Verhältnis zwischen Auftrieb und Gewicht zu erreichen.

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Abb 16

Durch die Rotation des Rotors entstehen im Vorwärtsflug unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten an den Rotorblättern. Das Rotorblatt, welches sich in Flugrichtung gesehen nach vorne bewegt wird als vorlaufendes Blatt, dasjenige welches sich nach hinten bewegt als rücklaufendes Blatt bezeichnet (Abb 17).

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Abb 17

Die Anströmgeschwindigkeit ist abhängig von der Vorwärtsgeschwindigkeit, der Rotordrehzahl und dem Rotordurchmesser. Gehen wir davon aus, dass sich der Helikopter mit einer Geschwindigkeit von 200 km/h vorwärts bewegt und eine Blattspitzengeschwindigkeit von 750 km/h aufweist, entstehen folgende Verhältnisse am Rotor:

Das vorlaufende Blatt erreicht eine effektive Geschwindigkeit an der Blattspitze von 950 km/h (750 + 200). Diese Geschwindigkeit befindet sich bereits sehr nahe an der Schallgeschwindigkeit. An der Blattwurzel wird immer noch eine Anströmung mit über 200 km/h erreicht (Abb 18).

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Abb 18

 

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Abb 19

Das rücklaufende Blatt wird nur noch mit einer Geschwindigkeit von 550 km/h an der Blattspitze angeströmt (750 - 200). Die Anströmgeschwindigkeit nimmt ab, je näher man sich dem Rotationszentrum befindet. In der Gegend der Blattwurzel kann das Blatt sogar von hinten angeströmt werden und liefert demzufolge in diesem Bereich keinen Auftrieb mehr (Abb 19).

Der Auftrieb ist bekannterweise von der Anströmgeschwindigkeit und dem Anstellwinkel (nebst der Art des Profils) abhängig. Um einigermassen konstante Auftriebsverhältnisse über die gesamte Rotorscheibe zu erreichen, muss der Anstellwinkel während dem Umlauf des Blattes konstant verändert werden, da sich die Anströmgeschwindigkeit ja auch konstant ändert. Diese Verstellung des Anstellwinkels wird als zyklische Blattverstellung bezeichnet.
Die Grenzen im Vorwärtsflug liegen bei heutigen Hubschrauber bei ca 400 km/h. Über dieser Geschwindigkeit würden sich grosse Teile des vorlaufende Blattes im Überschallbereich und ein grosser Bereich des rücklaufenden Blattes im Strömungsabriss befinden. Es gibt kein Flügelprofil, welches einen solch grossen Geschwindigkeitsbereich abdecken könnte.

 

 

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