Bevor wir in die Aerodynamik der Helikopter einsteigen
können, sollten wir einige grundlegende aerodynamischen
Prinzipien kennen.
Damit die Flugzeuge, die "schwerer als Luft"
sind vom Boden abheben können, muss eine Kraft nach
oben wirken, die mindestens so gross ist, wie das Gewicht
des Flugzeuges. Diese Kraft nennt man Auftrieb und wird
durch die Tragflächen erzeugt. Die Tragflächen
oder Flügel haben im Querschnitt eine bestimmte Form,
das Profil. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Profilarten,
je nachdem welche Flugeigenschaften ein Flugzeug erreichen
soll.
Bewegt sich nun eine Tragfläche vorwärts,
teilt das Profil den Luftstrom in einen unteren und einen
oberen Teil (Abb 1).
Abb 1
Da die Luft durch die Wölbung
um das Profil verdrängt wird, muss sie einen "weiteren
Weg" zurücklegen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht. Nach dem Gesetz der Strömungslehre
(Bernoulli-Gleichung) führt die Geschwindigkeitszunahme
zu einer Reduktion des Drucks. Es entsteht auf der Oberfläche
des Flügels ein "Sog" (Abb 2). Da die obere
und untere Seite des Profils eine unterschiedliche Wölbung
aufweisen, wird auch ein unterschiedlicher "Sog"erzeugt.
Abb 2
Bei einem vollsymetrischen
Profil (hier ist ein halbsymmetrisches dargestellt) ist
der Unterdruck auf der Flügeloberseite genau gleich
gross wie auf der Unterseite. Diese rein aerodynamischen
Kräfte reichen noch nicht aus, um ein Flugzeug zum
Fliegen zu bringen. Ein Flügel muss im Luftstrom
leicht angestellt werden, wodurch die Luft nach unten
abgelenkt wird, was zu einem Überdruck auf der Flügelunterseite
führt, welcher den Gesamtauftrieb erhöht (Abb
3).
Abb 3
Dieser Anstellwinkel bewirkt
zusätzlich eine Erhöhung des Unterdrucks auf
der Oberseite, da die Luft einen noch weiteren Weg zurücklegen
muss und dadurch stärker beschleunigt wird. Durch
die Anstellung des Flügels wird aber auch der Luftwiderstand
erhöht, was mit einer grösseren Leistung für
den Vortrieb kompensiert werden muss. Grundsätzlich
kann gesagt werden, dass der Auftrieb grösser wird
je schneller sich das Flugzeug vorwärts bewegt. Gleichzeitig
wird aber auch der Luftwiederstand erhöht. Aus diesem
Grund besitzen Flugzeuge welche nur langsam fliegen dicke
Profile, bei sehr schnellen Flugzeugen reichen schlanke
Profile für die Erzeugung des Auftriebs aus. Der
Anstellwinkel und die Geschwindigkeit können aber
nicht beliebig erhöht werden da die Luftströmung
auf der Oberseite abreissen kann. Das heisst die Strömung
fliesst nicht mehr entlang dem Profil, sondern bildet
Wirbel (Abb 4).
Abb 4
Zuerst entstehen die Wirbel
an der Austrittskante. Wird der Anstellwinkel weiter erhöht,
bilden sich immer mehr Wirbel Richtung Eintrittskante,
bis der Auftrieb nicht mehr ausreicht um das Flugzeug
in der Luft zu halten. Dieser Flugzustand wird als Stall
(engl.) bezeichnet und tritt vor allem dann auf, wenn
das Flugzeug zu langsam fliegt. Sobald die Strömung
wieder sauber am Profil entlang fliesst, ist auch der
notwendige Auftrieb wieder vorhanden und das Flugzeug
fliegt wieder.
