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Dr. András Jancsó Helikopter

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Dr. András Jancsó Helikopter. Auftrieb. Helikopter. Grundlagen Unterschiede Flugzeug Helikopter Auftrieb: Vorwärtsbewegung von festen Flügeln Auftrieb: Rotation von Drehflügeln (Rotor) Aerodynamik : relativ einfach Aerodynamik: komplizierte Verhältnisse. Vortrieb. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Dr. András Jancsó Helikopter

Dr. András Jancsó

Helikopter

Page 2: Dr. András Jancsó Helikopter

Grundlagen Unterschiede

Flugzeug HelikopterAuftrieb: Vorwärtsbewegung von festen Flügeln Auftrieb: Rotation von Drehflügeln (Rotor)

Aerodynamik: relativ einfach Aerodynamik: komplizierte Verhältnisse

Auftrieb

GewichtGewicht

LuftwiderstandLuftwiderstand

Vortrieb

Helikopter

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Helikopter

Bauarten der Drehflügel

a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug

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Bauarten der Drehflügel

a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug

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Bauarten der Drehflügel

a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug

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Bauarten der Drehflügel

a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug

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Helikopter

Bauarten der Drehflügel

a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug

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Bauarten der Drehflügel

a. Hubschrauber (Helikopter)b. Tragschrauber (Autogiro)c. Flugschrauberd. Kombinationsflugschraubere. Verwandlungsflugzeug

Helikopter

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Helikopter

Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit

– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk

Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:

– Heckrotor,– Heckdüse

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Helikopter

Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit

– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk

Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:

– Heckrotor,– Heckdüse

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Helikopter

Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit

– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk

Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:

– Heckrotor,– Heckdüse

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Helikopter

Antriebsarten des HelikopterrotorsBlattspitzenantrieb mit

– Druckluft vom Kompressor– Brennkammern– Staustrahltriebwerk– Pulsitriebwerk

Wellenantriebjedoch: Gegendrehmoment im Rumpf, das ausgeglichen werden muß. Möglichkeiten:

– Heckrotor,– Heckdüse

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Helikopter

Anordnung der Rotoren

Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)

Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise

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Helikopter

Anordnung der Rotoren

Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)

Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise

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Helikopter

Anordnung der Rotoren

Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)

Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise

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Helikopter

Anordnung der Rotoren

Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)

Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise

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Helikopter

Anordnung der Rotoren

Ein Rotor (zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors wird ein Heckrotor benötigt – ca. 10% der Antriebsleistung)

Zwei Rotoren (müsen entgegengesetzt rotieren)– Tandem Bauweise – Rotoren nebeneinander– Ineinanderkämmende Rotoren– Koaxial-Bauweise

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Helikopter

Steuerung

Die Vermessung und Beschreibung der Bewegungen des Helikopters erfolgt in Koordinatensystemen:

a, das helikopterfeste Koordinatensystem mit dem Index 1b, das strömungsfeste Koordinatensystem ohne Index

Koordinatensprung: Schwerpunkt des Helikopters

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Helikopter

Steuerung

Die Benennung der Achsen und der zugeordneten Bewegungen:

Achse Bewegung

Längsachse x RollenQuerachse y NickenHochachse z Gieren

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Helikopter

Steuerung

Die Steuerorgane des Helikopters (auf dem Bild: die Copilotenseite)

1. Instrumentenbrett2. Steuerknüppel (stick, cyclic) 3. Blattverstellhebel (collective)4. Seitensteuerpedale (pedals)

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Helikopter

Steuerung

1. Instrumentenbrett2. Steuerknüppel (stick, cyclic) 3. Blattverstellhebel (collective)4. Seitensteuerpedale (pedals)

Steuerknüppel vor und zurück Längssteuerung NickenSteuerknüppel seitlich Quersteuerung RollenBlattverstellhebel Vertikalsteuerung Steigen, Sinken, SchwebenSeitensteuerpedal Seitensteuerung Gieren

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Helikopter

Steuerung

1. Instrumentenbrett2. Steuerknüppel (stick, cyclic) 3. Blattverstellhebel (collective)4. Seitensteuerpedale (pedals)

Im Vorwärtsflug werden - durch den Cyclic die Kurven oder das Steigen und Sinken eingeleitet- mit den Pedalen kann der Hubschrauber um die Hochachse an Ort gedreht

werden, und - mit dem Collective steuert der Pilot das Steigen und Sinken im Schwebeflug,

und zusammen mit dem Cyclic die Geschwindigkeit im Vorwärtsflug.

Abb 1

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Helikopter

Steuerung

Sobald der Pilot am Collective nach oben zieht, wird der Anstellwinkel aller Rotorblätter um den gleichen Betrag erhöht. Dadurch nimmt der Gesamtauftrieb zu und der Helikopter beginnt zu steigen.

Sinngemäss verringert sich der Anstellwinkel, wenn der Pilot den Collective nach unten drückt.

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Helikopter

Steuerung

Wird der Cyclic nach vorne gedrückt, wird der Anstellwinkel der Rotorblätter während einer Umdrehung kontinuierlich geändert. Durch den unterschiedlichen Auftrieb wird die Rotorblatt-ebene nach vorne geneigt.

Selbstverständlich neigt sich die Ebene nach hinten, sobald der Pilot den Cyclic nach hinten zieht.

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Helikopter

Steuerung

Dasselbe wie vorher beschrieben geschieht, wenn der Pilot den Cyclic entweder nach rechts oder nach links drückt.

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Helikopter

Steuerung

Mit den Pedalen wird der Anstellwinkel aller Heckrotorblätter um den gleichen Betrag verstellt (ähnlich der Collectiven Blattverstellung am Hauptrotor). Dadurch erhöht oder verringert sich der Heckrotorschub.

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Helikopter

Steuerung - Zusammenhänge

Sobald der Pilot an einem der drei Steuer etwas verändert, muss er an den beiden Anderen ebenfalls korrigieren.

Page 28: Dr. András Jancsó Helikopter

Helikopter

Steuerung - Zusammenhänge

Sobald der Pilot an einem der drei Steuer etwas verändert, muss er an den beiden Anderen ebenfalls korrigieren.

Beispiel: Der Pilot muß am Collective ziehen, wenn er im Schwebeflug etwas steigen will.

Der Vorgang:

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Helikopter

Steuerung - Zusammenhänge

Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.

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Helikopter

Steuerung - Zusammenhänge

Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.

Dies bewirkt nun, dass durch den größeren Anstellwinkel der Rotorblätter (und dadurch erhöhter Luftwiderstand) das Drehmoment zunimmt. Dadurch beginnt sich der Hubschrauber um die Hochachse zu drehen, was nur mit einer Korrektur am Heckrotor verhindert werden kann.

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Helikopter

Steuerung - Zusammenhänge

Der Pilot will im Schwebeflug etwas steigen, er muß am Collective ziehen.

Dies bewirkt nun, dass durch den größeren Anstellwinkel der Rotorblätter (und dadurch erhöhter Luftwiderstand) das Drehmoment zunimmt. Dadurch beginnt sich der Hubschrauber um die Hochachse zu drehen, was nur mit einer Korrektur am Heckrotor verhindert werden kann.

Da nun der Heckrotor einen größeren seitlichen Schub liefert, wird auch die seitliche Versetzung des Hubschraubers vergrößert, was wiederum nur mit einer Korrektur am Cyclic ausgeglichen werden kann.

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Helikopter

Steuerung - Technik

Die Steuerung eines Hubschraubers wird über • Steuerstangen, • Umlenkhebel und • Steuerseile, von den Steuerorganen auf die Taumelscheibe (resp. zum Heckrotor) sichergestellt.

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Steuerung – Technik

Taumelscheibe drehender Teil

Helikopter

Taumelscheibe fixer Teil

Obere UmlenkhebelSteuerstangen

Untere Umlenkhebel

Collective

Cyclic

Das wichtigste Element der Steuerung eines Hubschraubers ist die Taumelscheibe. Sie liegt auf der Rotorachse, direkt unter dem Hauptrotor und ist zuständig für die Übertragung der Steuerimpulse auf dieeinzelnen Rotorblätter. Der fixe oder untere Teil ist über Steuerstangen und Umlenkhebel mit dem Steuerknüppel verbunden und der drehende oder obere Teil mit jedem einzelnen Rotorblatt.

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Steuerung – Technik

Taumelscheibe drehender Teil

Helikopter

Taumelscheibe fixer Teil

Obere UmlenkhebelSteuerstangen

Untere Umlenkhebel

Collective

Cyclic

Wird nun die Taumelscheibe mit dem Steuerknüppel nach vorne oder zur Seite geneigt, ändert sich der Anstellwinkel jedes Rotorblattes während einer Umdrehung (zyklische Blattverstellung). Wenn Der Pilot am Collective nach oben zieht, bewegt sich die Taumelscheibe als Ganzes nach oben und der Anstellwinkel aller Rotorblätter wird gleichzeitig erhöht (kollektive Blattverstellung).

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Steuerung – Technik

Taumelscheibe drehender Teil

Helikopter

Taumelscheibe fixer Teil

Obere UmlenkhebelSteuerstangen

Untere Umlenkhebel

Collective

Cyclic

Die Steuerung wird bei kleineren Hubschrauber in der Regel mit hydraulischen Servomotoren unterstützt, um den Kraftaufwand des Piloten zu verringern. Bei mittleren und großen Hubschraubern treten an der Taumelscheibe so große Kräfte auf, dass eine rein mechanische Steuerung (nur mit Steuerstangen und Umlenkhebel) nicht mehr möglich ist, und die Steuerung nur mit hydraulischer Unterstützung gewährleistet werden kann.

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Helikopter

Aerodynamik des Helikopters

Rotorströmung im VertikalflugDie Haptkräfte an einem Helikopter:

FA = Auftriebkraft des RotorsFZ = Zugkraft des Rotor sin FlugrichtungFG = Gewichtskraft des Helikopters FW = Luftwiderstand des Helikopters

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Aerodynamik des Helikopters

Strömungsverlauf durch die Rotorscheibe

schematische Darstellungdes Strömungsverlaufs imSchwebeflug

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Aerodynamik des HelikoptersStrömung am Rotorblatt im Schwebe- und Steigflug Geschwindigkeits- und Kraftvektoren am Rotorblatt:1, = ProfilsehneFA = AuftriebkraftFN = Normalkraft zur Rotordrehebene FW = Luftwiderstand des RotorblattesFT = Widerstand des Blattes in RotordrehebeneFR = Resultierende Luftkraftδ = Blatteinstellwinkelα = Anstellwinkelvd = Durchtrittsgeschwindigkeit der Luft durch die Rotorebeneu’ = Umfangsgeschwindigkeit des Rotorblatts w = effektive Anströmgeschwindigkeit

δ

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Aerodynamik des Helikopters

Der Winkel des Rotorkonus

β = KonuswinkelS = Schwerpunkt des Rotorblattsa = Abstand des Gelenkpunkts

vom Mittelpunkt rS = Abstand des Schwerpunkts

vom MittelpunktFAB = Auftriebskraft

FF =Fleihkraft eines Blatts

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Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug

Asymmetrie der Blattströmung im Horizontalflug

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Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug

Die Durchströmungsrichtung der Rotorblätter bei horisontaler Anströmung:

Die Konusform des Rotors bewirkt, daß das vordere Blatt bei Anströmung in Richtung der Rotorebene von unten und das hintere von oben durchströmt wird.

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Helikopter

Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug

Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:

• Schlagbewegung• Schwenkbewegung

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Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug

Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:

• Schlagbewegung• Schwenkbewegung

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Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug

Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:

• Schlagbewegung• Schwenkbewegung

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Strömungsverhältnisse am Rotor im Horizontalflug

Zusätzliche Bewegungen der Rotorblätter:

• Schlagbewegung• Schwenkbewegung

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Helikopter

Geschwindigkeitsbegrenzung des Helikopters

Der Bereich der Rückanströmung des zurücklaufenden Blattes ist eine Kreisfläche mit dem Durchmesser (d), der mit der Fluggeschwindigkeit zunimmt. Erreicht die Fluggeschwindigkeit die Umlauf-geschwindigkeit der Blattspitzen, ist der Durchmesser der Rückanströmung (d) gleich dem Rotorradius.

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Unterschied zwischen Hubschrauber- undTragschrauberzustand

Hubschrauberzustand: Durchströmung von oben nach unten

Tragschrauberzustand: Durchströmung von unten nach oben

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Mechanik des Helikopters

Rotorkopf - BlattsteuerungMittels einer Taumelscheibe

1. Blatthebel2. Stoßstange3. Steuerstange4. Rotorwelle5. Nur kippbarer Teil der Taumelscheibe6. kippbarer und drehbarer Teil der Taumelscheibe

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Mechanik des HelikoptersGegliederter Rotorkopf

1. Schwenkgelenk2. Rotornabe3. Schlaggelenk4. Schwenkdämpfer5. Drehbarer Ring der Taumelscheibe6. Anlenkung für kollektive und

zyklische Blattverstellung7. Stoßstange8. Nicht drehbarer Ring der Taumelscheibe9. Blatthebel

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Mechanik des HelikoptersRotorkopf ohne Schlag- und Schwenkgelenke

1. Rotornabe2. Stoßstange3. Drehbarer Ring der Taumelscheibe4. Mitnehmerschere5. Rotorblatt6. Hauptblattbolzen7. Nebenblattbolzen8. Blatthebel

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Mechanik des HelikoptersRotorkopf ohne Schlag- und Schwenkgelenke

1. Heißöse 2. Rotornabe 3. innre Befestigung der Zugelemente 4. Außenhülse 5. Nadellager 6. äußre Befestigung des Zugelementes 7. Zugelement 8. Blatthebel 9. Innenhülse10. Nebenblattbolzen11. Hauptblattbolzen

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Mechanik des HelikoptersDer gelenk- und lagerlose Rotor

Rotorkopf ohne mechanische Gelenke, Lager und Dämpfer, mit elastischen Elementen

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Helikopter

Mechanik des HelikoptersKardanisch gelagerte Taumelscheibeohne mechanische Schlag- und Schwenkgelenke V = vorn 1, Rotornabe 2, Rotorblatt 3, Blatthebel 4, Stoßstange 5, Scheibehülse 6, Rotorwelle 7, dehbarer Ring der Taumelscheibe 8. nur kippbarer Ring der Taumelscheibe 9, Kardanachsen der Taumelscheibe10, Anlenkhebel zur Neigung der Taumelscheibe11, Hebel für zyklische Blattverstellung (Querrichtung)12, Hebel für zyklische Blattverstellung (Längsrichtung)13, Hebel für kollektive Blattverstellung14, Mitnehmerschere

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Bauweisen der Rotorblätter

• Holz• Metall• Kunststoff (Schaum und Komposit)

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Bauweisen der Rotorblätter

1, Bleistange2, Erosionsschutz aus Titanblech3, Holm aus GFK unidirektional 4, Haut aus GFK in 45° Lage5, Kern aus PVC Hartschaum

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Bauweisen der Rotorblätter

1, Gummischicht2, Stahlschiene3, Strangpreßprofil aus Aluminiumlegierung 4, Aluminiumwabenkern5, Deckblech aus Aluminiumlegierung

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Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit!