Grundlagen der Hubschrauber-Aerodynamik

Wann flog der erste Hubschrauber? Was ist ein Autogiro, ein Flugschrauber, ein Tiltrotor, ein Blattspitzenantrieb? Welche Probleme hatten die frühen Hubschraubererfinder zu überwinden? Wie funktioniert die Steuerung? Gibt es muskelkraftgetriebene oder elektrische Hubschrauber? Was ist alles gebaut worden und wer sind die „Global Player“? Wie schnell und wie hoch können Hubschrauber fliegen? All diese Fragen werden in der Einleitung beantwortet. Zunächst wird die Entwicklungsgeschichte vom chinesischen Spielzeug über Leonardo da Vinci’s Skizze bis zu den ersten Hüpfern um 1900 dargelegt, dann der Durchbruch zum praktischen Gerät während des zweiten Weltkrieges und schließlich die rasante Entwicklung von 1945 – 1970 geschildert, gefolgt von den heute fliegenden modernen Hubschraubertypen. Die Möglichkeiten, Rotorblätter am Rotorkopf anzuschließen werden ebenso dargelegt wie die Steuerungsorgane eines Hubschraubers. Das Kapitel rundet eine Liste von Adressen der bekannten Hubschraubermuseen und der Hersteller ab.

Kaum zu glauben – der grundlegende Zusammenhang zwischen Rotorauftrieb (= Schub) und der dazu benötigten Antriebsleistung hat seine Wurzeln im Schiffbau! Als Segelschiffe von Dampfern mit Schiffsschrauben abgelöst wurden, entstand – basierend auf rein energetischen Prinzipien, ohne Kenntnis der tatsächlichen Anzahl von Rotorblättern oder deren Formgebung – die Strahltheorie, die anschließend für Flugzeugpropeller und schließlich auch für Drehflügler (Autogiro, Hubschrauber, Windenergieanlage) umfangreiche Anwendung fand. Schwebeflug, senkrechter Steig- und Sinkflug, Vorwärtsflug mit oder ohne Steigen, der Flug in Bodennähe und die Autorotation lässt sich damit grundlegend behandeln. Mit einigen Ergänzungen wie Einbeziehung des Widerstandes der Rotorblattprofile und der Verluste bei Umströmung der Blattspitze kommt man den gemessenen Schub-Leistungskurven schon recht nahe. Die Strahleinschnürung im Schwebe- und Steigflug sowie die Strahlaufweitung im senkrechten Sinkflug (wie auch bei Windenergieanlagen) werden behandelt. Etliche Übungen mit Anwendungsbeispielen vertiefen den Umgang mit dieser Theorie.

Genauere Ergebnisse, vor allem aber die über den Radius verteilten Kräfte am Rotorblatt, liefert die Blattelemententheorie. Hiermit lässt sich der Einfluss der Anzahl der Rotorblätter, ihres Grundrisses (Verteilung der Profiltiefen, Pfeilung), der Profilierung und Verwindung, der Drehzahl und der Kompressibilität im Detail untersuchen und die Auswirkung auf Schub und Antriebsleistung ermitteln. Die untersuchten Flugzustände sind wieder der Schwebeflug, Steigflug, Sinkflug, Vorwärtsflug und die Autorotation. Was ist ein idealer Rotor und wie unterscheidet er sich vom optimalen Schwebeflugrotor? Wie funktioniert genau die Autorotation? Die lokalen Strömungsverhältnisse geben hier Auskunft über die Physik hinter diesen Fragestellungen. Große Variationen der lokalen Profilanströmung sorgen für breitbandige Dynamik der Luftkräfte. Die heutigen leistungsfähigen Computer ermöglichen hier sehr komplexe Modellierungen der Aerodynamik und der Wirbelsysteme, die – von den Blattspitzen erzeugt – spiralig im Raum sich ausbilden und von nachfolgenden Rotorblättern überflogen oder durchtrennt werden. Sowohl die Leistungsrechnung als auch die Autorotation wird mit Übungsbeispielen vertieft.

Rotorblätter lassen sich gut mit einem Plastiklineal vergleichen: sie lassen sich leicht nach oben biegen, nur schwer in Richtung ihrer Breite, relativ leicht verdrillen und praktisch gar nicht längs dehnen. Ein Rotorblatt ist eigentlich ein sehr elastisches Gebilde und große Krümmungen erzeugen daher auch hohe Materialspannungen. Daher ist ein gelenkiger Blattanschluss am Rotorkopf die übliche Methode, dies zu vermeiden, obwohl heute die Faserverbundbauweise auch gelenklose und sogar steuerlagerlose Konstruktionen ermöglicht. Das fundamentale Verhalten der Rotorblätter wird hier vereinfacht dargestellt in Form eines starren Blattes mit gelenkigem Anschluss. Zunächst wird das Eigenschwingungsverhalten unter Zentrifugalkraft untersucht, dann die Prinzipien der dynamischen Blattbewegung aufgrund der an ihnen angreifenden dynamischen Luftkräfte. Besonderheiten, die nur aufgrund der Rotation entstehen, sind z.B. die Verkopplung der Schlagbewegung senkrecht zur Rotordrehebene mit der Schwenkbewegung in der Rotordrehebene über Corioliskräfte. Das Propellermoment in der Torsion hat seine Ursache in Zentrifugalkräften und man findet es daher nur bei Drehflüglern.

Wie schnell kann der Hubschrauber fliegen, wie hoch im Schwebeflug? Kann er im Vorwärtsflug höher fliegen als im Schwebeflug? Ist er in großer Höhe schneller als in Bodennähe? Wie schnell kann er steigen? Gibt es eine maximale Sinkrate? Wie groß ist die Gleitzahl? Welche Geschwindigkeit braucht man für die längste Flugzeit oder für die größte Reichweite? Was ist eine Trimmung? Wie groß ist der Gesamtleistungsbedarf des Hubschraubers? Welche Steuerwinkel brauchen die Rotorblätter in welchem Flugzustand? All diese Fragestellungen gehören zur Leistungsrechnung. Mit Hilfe der Strahltheorie oder der Blattelemententheorie lassen sich die Antworten berechnen und physikalisch plausibel begründen.

Höher, weiter, schneller, leichter, so klein wie möglich, so groß wie nötig – und kosten darf es nichts. So in etwa ist das Dilemma des Designers. Ein Hubschrauber soll sowohl im Schwebeflug als auch im Schnellflug beste Leistungen erbringen, jedoch die Anforderungen an den Rotor sind für beide Betriebszustände recht widersprüchlich. Was für den Schwebeflug gut ist, ist schlecht für hohe Geschwindigkeiten und umgekehrt. Beim Rumpf ist es nicht anders: für Nutzlast ist ein quadratischer, breiter Laderaum vonnöten, für geringen Luftwiderstand eine schlanke runde Form wie bei Flugzeugen vorteilhaft. Die zahlreichen Freiheitsgrade beim Rotorentwurf, wie Radius, Drehzahl, Blattzahl, Blattverwindung und –form, Blattspitzengestaltung und Profilauswahl müssen den Anforderungen an den Gesamthubschrauber optimal angepasst werden, um ein konkurrenzfähiges Produkt entstehen zu lassen. Dazu gehört natürlich auch das Höhen- und Seitenleitwerk in Form und Position am Heckausleger, und natürlich auch der Heckrotor selbst. Zum Abschluss werden auch alternative Konstruktionen vorgestellt.

Dieses Kapitel beinhaltet umfangreiches ergänzendes Material. Mit den Kenngrößen der ersten Hubschrauber von 1907 (Cornu, Breguet-Richet) kann man mit Hilfe der Strahltheorie oder der Blattelemententheorie überschlägig berechnen, ob sie wirklich abgehoben haben konnten oder nicht, bzw. nur im Bodeneffekt. Recht umfangreiche Daten sind von der mittlerweile nicht mehr produzierten Bo105 bekannt und in einem separaten Abschnitt tabelliert. Welche Kräfte oder Momente an der Wurzel des drehenden Rotorblattes erzeugen welche Kräfte und Momente in der Hubschrauberzelle und welchen Einfluss hat die Anzahl der Rotorblätter dabei? Dies Ergebnis ist ebenfalls in tabellarischer Form übersichtlich dargestellt. Auch findet sich eine Liste der gebräuchlichsten Fachbegriffe und der zugehörigen englischen Übersetzung als Hilfe zum besseren Verständnis der fast ausschließlich englischsprachigen Fachliteratur sowie eine Tabelle zur Umrechnung der wichtigen angelsächsischen Größen in SI-Einheiten. Den Abschluss bildet eine umfangreiche Darstellung der Ergebnisse der Blattelemententheorie hinsichtlich Variation des Schubes in Kombination mit Variation der Blattverwindung und der Blattzuspitzung.

Sämtliche in den verschiedenen Kapiteln gegebenen Übungsaufgaben finden ihre Lösung in diesem Kapitel mit komplettem Rechenweg sowie Erläuterungen dazu. Es wird jedoch geraten, die Lösung mit Hilfe der im jeweiligen Kapitel zur Verfügung gestellten Formeln zunächst selbst zu erarbeiten und dann mit den Lösungen zu vergleichen.