| Aerodynamik • Die 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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| 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. |
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| 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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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. |
| Abb 22 |
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| Um zu erklären wie diese Bereiche zustande kommen müssen wir die aerodynamischen Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt etwas genauer untersuchen. |
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| Im antreibenden Bereich liegen die aerodynamischen Gesamtkräfte vor der Rotationsachse des Rotors. Dadurch ergibt sich eine Kraft welche den Rotor antreibt. |
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| Abb 23 |
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| Liegen die aerodynamischen Kräfte genau auf der Rotationsachse bleibt die Drehgeschwindigkeit konstant. |
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| Abb 24 |
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| Im bremsenden Teil liegen die Gesamtkräfte hinter der
Rotationsachse, was bedeutet das der Rotor abgebremst wird. |
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| Abb 25 |
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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. |
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| 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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