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2016 | Buch

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Flugphysik der Tragschrauber

Verstehen und berechnen

verfasst von: Holger Duda, Jörg Seewald

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das vorliegende Buch bietet eine verständliche Einführung in die Flugphysik der Tragschrauber. Die Autoren gehen der Frage nach, wie das Prinzip der Autorotation beim Tragschrauber funktioniert. Deshalb untersuchen sie insbesondere die physikalischen und aerodynamischen Eigenschaften des Rotors. Analytisch hergeleitete Formeln erklären wesentliche Zusammenhänge, wie beispielsweise zwischen der Rotordrehzahl und der Fluggeschwindigkeit. Mit real erflogenen Messdaten wird gezeigt, dass die bereitgestellten Formeln sehr gut mit der Wirklichkeit übereinstimmen. Konkrete Zahlenwerte, wie die maximal erreichbare Rotordrehzahl oder die Sinkgeschwindigkeit bereiten dem Leser den Weg von der Theorie in die Praxis. Nahezu alle Ergebnisse können mit dem Taschenrechner nachvollzogen werden.Bei der flugphysikalischen Betrachtung des Tragschraubers als Ganzes wird das Zusammenspiel zwischen Rotor, Rumpf, Antrieb und Höhenleitwerk untersucht. Es werden grundlegende Fragestellungen zur Flugsteuerung behandelt. Die spezielle Konstruktion des Rotorkopfes und ihr Einfluss auf die Flugstabilität werden erklärt. Im abschließenden Kapitel zur Rotordynamik wird das Verhalten des Rotors hinsichtlich Drehzahl und Schlagwinkel bei Änderung der Anströmung behandelt. Die dynamische Betrachtung der Schlagbewegung liefert die Erklärung für das „Bladeflapping“. Die Auswirkungen der Unterhängung und der Kreiseleffekte werden erklärt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Ein Tragschrauber, auch Autogyro oder Gyrocopter genannt, gehört zur Familie der Drehflügler. Das Besondere am Tragschrauber ist der frei drehende Rotor, der im Flug nur durch den Fahrtwind angetrieben wird. Dieses Prinzip wird als „Autorotation“ bezeichnet. Der Erfinder des Tragschraubers Juan de la Cierva führte bereits im Jahr 1923 die ersten stabilen Versuchsflüge durch. Wir erklären die Flugphysik der Tragschrauber in einfachen Worten, mit selbsterklärenden Skizzen und konkreten Zahlenwerten. Dabei vereinfachen wir soweit es nur geht. Nahezu alle Ergebnisse können vom interessierten Leser mit dem Taschenrechner nachgerechnet werden.

Holger Duda, Jörg Seewald

2. Der Rotor im senkrechten Sinkflug

Zusammenfassung

Ein Tragschrauber besitzt die faszinierende Fähigkeit, wie ein Fallschirm senkrecht in Richtung Erde zu sinken. Wir machen uns zunächst klar, wie die Rotorblätter im senkrechten Sinkflug angeströmt werden. Ein winziger Exkurs in die Welt der Aerodynamik hilft uns, die Kräfte an den Rotorblättern zu verstehen und zu berechnen. Besonderes Augenmerk legen wir auf die induzierte Abwindgeschwindigkeit des Rotors. Wir zeigen, dass es Kräfte gibt, die den Rotor antreiben und Kräfte, die ihn bremsen. In der Autorotation befindet sich der Rotor in einem Gleichgewicht, so dass die Rotordrehzahl weder zu- noch abnimmt. Mit den analytischen Formeln liefern wir ein Werkzeug zur Berechnung der Rotordrehzahl und der Sinkgeschwindigkeit abhängig von der Masse des Tragschraubers.

Holger Duda, Jörg Seewald

3. Der Rotor im Vorwärtsflug

Zusammenfassung

Im Vorwärtsflug wird der Rotor nicht nur von unten angeströmt, sondern auch von vorne. Damit ergibt sich eine unsymmetrische Anströmung beider Rotorblätter und die Strömungsverhältnisse werden etwas komplizierter als im senkrechten Sinkflug. Um die Autorotation im Vorwärtsflug zu verstehen, erklären wir zunächst die Schlagbewegung des Rotors. Wir zeigen, dass die induzierte Abwindgeschwindigkeit des Rotors mit der Fluggeschwindigkeit abnimmt. Damit wird klar, warum der Rotor im schnellen Vorwärtsflug gegenüber der anströmenden Luft kaum nach hinten geneigt ist. Mit Hilfe der analytischen Formeln erklären wir den Einfluss der Fluggeschwindigkeit auf die Rotordrehzahl, den Schlagwinkel, den Rotoranstellwinkel, die Schwankung der Rotorkraft sowie den Rotorwiderstand.

Holger Duda, Jörg Seewald

4. Der Rotor, etwas genauer betrachtet

Zusammenfassung

Zur genaueren Berechnung des Rotors nutzen wir eine Software zur Simulation des Referenzrotors, die am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurde. Die Simulation wurde mit Messdaten aus Flugtests abgeglichen und kann als Referenz zur Beurteilung der Genauigkeit der analytischen Formeln verwendet werden. Wir beschreiben den Einfluss der Machzahleffekte und steigern gedanklich die Rotordrehzahl bis an ihre physikalische Grenze. Wir erklären die Entstehung und Bedeutung des Konuswinkels, der aufgrund der Luftkräfte an den Rotorblättern entsteht. Wir zeigen, dass im Vorwärtsflug etwa die gesamte vorlaufende Seite bremst und die rücklaufende Seite antreibt.

Holger Duda, Jörg Seewald

5. Der Tragschrauber im Vorwärtsflug

Zusammenfassung

In diesem Kapitel untersuchen wir das Zusammenspiel zwischen dem Rotor und der Zelle des Tragschraubers im Vorwärtsflug. Dabei beschränken wir uns auf den Geradeausflug im Gleichgewicht. Wir erklären, wie die Flugsteuerung des Tragschraubers funktioniert und wie die Handkräfte am Steuerknüppel entstehen. Mit der Kippkopfsteuerung wird die Richtung der Rotorkraft kontrolliert. Analytische Formeln erlauben die Berechnung von Widerstand, Fluglagewinkel, Steuerwinkel und Handkräfte. Am Beispiel des Referenztragschraubers liefern wir konkrete Zahlenwerte, die die Formeln greifbarer machen. Ein sehr spannendes Thema ist die Flugstabilität und ihre Einflussgrößen. Hier spielen der Schuboffset, der Offset des Rotorkopfes und das Höhenleitwerk eine entscheidende Rolle. Den Einfluss der Schwerpunktlage erklären wir anhand unterschiedlich schwerer Personen auf dem Pilotensitz.

Holger Duda, Jörg Seewald

6. Der Rotor, dynamisch betrachtet

Zusammenfassung

Bei der dynamischen Betrachtung des Rotors kommt die wichtige Variable „Zeit“ ins Spiel. Wir erklären das Verhalten des Rotors bei schnellen Änderungen der Anströmung und beginnen mit einem kleinen Ausflug in die Welt der Dynamik im Allgemeinen. Zum besseren Verständnis der Schlagbewegung „beamen“ wir den Rotor kurzzeitig ins Weltall, danach geht es zurück auf die Erde, wo die Luftkräfte am Rotor wirken. Wir betrachten das Drehzahlverhalten des Rotors aufgrund schneller Änderungen der Anströmung. Anhand der Simulation eines Startvorgangs erklären wir das dynamische Verhalten des Rotors hinsichtlich Drehzahl und Schlagwinkel. Wir untersuchen die Ursachen für Drehzahlschwankungen im Zusammenhang mit der Unterhängung und schließen mit einer kurzen Betrachtung der Kreiseleffekte.

Holger Duda, Jörg Seewald

7. Das war’s

Zusammenfassung

Wir haben uns auf den Weg gemacht, die faszinierende Flugphysik der Tragschrauber zu erklären. Viele Überlegungen, lange Nächte, mehrere Flugversuchsreihen, viel Spaß beim Fliegen und Schreiben haben dieses Buch entstehen lassen. Wir haben dabei versucht, uns auf die wesentlichen Effekte zu fokussieren und die Zusammenhänge mit Hilfe einfacher Skizzen darzustellen. Es war uns auch wichtig, überschaubare Formeln und analytische Herleitungen bereitzustellen und diese mit realen Werten zu vergleichen.

Holger Duda, Jörg Seewald

8. Formelzeichen

Zusammenfassung

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Holger Duda, Jörg Seewald

9. Anhang

Zusammenfassung

Im Anhang fassen wir alle relevanten Daten des Referenztragschraubers basierend auf einem MTOsport des Herstellers Autogyro GmbH zusammen. Wir erklären die Bestimmung der Schwerpunktlage und erläutern den Hintergrund zu den aerodynamischen Kenngrößen. Wir zeigen die wichtigsten Messdaten aus Testflügen mit einem MTOsport, die beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) durchgeführt wurden. Die Herleitung der analytischen Formeln in sehr komprimierter Form kann vom interessierten Leser nachvollzogen werden.

Holger Duda, Jörg Seewald

Backmatter

Titel: Flugphysik der Tragschrauber
verfasst von: Holger Duda
Jörg Seewald
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-52834-1
Print ISBN: 978-3-662-52833-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-52834-1

Springer Professional

Über dieses Buch

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

2. Der Rotor im senkrechten Sinkflug

3. Der Rotor im Vorwärtsflug

4. Der Rotor, etwas genauer betrachtet

5. Der Tragschrauber im Vorwärtsflug

6. Der Rotor, dynamisch betrachtet

7. Das war’s

8. Formelzeichen

9. Anhang

Backmatter

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