Flugmechanik der Hubschrauber (eBook)

Priv.-Doz. Dipl.-Ing. Walter Bittner hat Luft- und Raumfahrt an der TU Berlin studiert, ehe er in den Unternehmensbereich Hubschrauber von MBB eintrat. Er war viele Jahrzehnte an hervorragender Stelle mit der Konzeption von Hubschraubern beschäftigt. Seit 1989 hält er die Vorlesung "Flugmechanik der Hubschrauber" an der TU München und ist Lehrbeauftragter an der Universität der Bundeswehr München.

Vorwort zur zweiten Auflage 8
Vorwort zur ersten Auflage 8
Inhaltsverzeichnis 14
Verwendete Formelzeichen 20
1 Evolution des Hubschraubers 24
1.1 Die Natur hat Drehflügler, aber keine Hubschrauber hervorgebracht 24
1.1.1 Entwicklung des Hubschraubers 24
1.1.2 Periode der Tragschrauber (1919–1935) 31
1.2 Entstehen der ersten brauchbaren Hubschrauber 33
1.2.1 Bréguet/Dorand 35
1.2.2 Professor Focke 35
1.2.3 Igor Sikorsky 37
1.3 Phase der Reife und Spezialisierung 38
2 Hubschraubermissionen und Markt 42
3 Wesentliche Bauelemente der Hubschrauber 54
3.1 Übersichten 54
3.2 Beschreibung und Wirkungsweise des Hauptrotors 57
4 Grundzüge der Leistungsrechnung 70
4.1 Strahltheorie (Bernoulli) 70
4.1.1 Der stationäre Schwebeflug 72
4.1.2 Reale Rotoren im Schwebeflug 73
4.1.3 Senkrechter Steigflug (idealer Rotor) 74
4.1.4 Senkrechter Sinkflug (idealer Rotor) 76
4.2 Die Blattelementenmethode 79
4.2.1 Ideale Verwindung 81
4.2.2 Mittlere aerodynamische Beiwerte und Einstellwinkel 85
4.2.3 Reale und sonstige Effekte 86
5 Die Schlagbewegung der Rotorblätter 94
5.1 Trägheitsmoment des Rotorblattes 94
5.2 Herleitung der Schlaggleichung 95
5.2.1 Rotoren mit zentralem Schlaggelenk 95
5.2.2 Ein Blick in die Schwingungslehre 96
5.2.3 Rotoren mit Schlaggelenksabstand 98
5.3 Die Schlagbewegung unter Einbeziehung der Luftkräfte 99
5.4 Der gelenklose Rotor 101
5.5 Quantifizierung der Schlagbewegung 103
5.5.1 Die Rotoransteuerung 104
5.5.2 Der Konuswinkel 104
5.5.3 Die Schlagkoeffizienten 106
6 Die Schwenkbewegung der Rotorblätter 108
6.1 Schwenken zunächst ohne Coriolis- und Luftkräfte 108
6.2 Die Schwenkbewegung unter Berücksichtigung der Luft- und der Corioliskräfte 110
7 Die höherfrequenten Rotorblattschwingungen 112
7.1 Blattverformungen, das Resonanzdiagramm 112
7.2 Formänderungen des Rotorsystems, Luft- und/oder Bodenresonanz 115
7.3 Unterdrückung von Schwingungen und Vibrationen 117
8 Leistungsbedarf, Flugleistungen 119
8.1 Einsatzenvelope von Hubschraubern 119
8.2 Wichtige Leistungsparameter und -begriffe 119
8.3 Standardbedingungen, Druckhöhe/Dichtehöhe 120
8.4 Die Leistungspolare 121
8.4.1 Schwebeflug 121
8.4.2 Vorwärtsflug 121
8.4.3 Gesamtleistungsbedarf 126
8.5 Flugleistungen 129
8.5.1 Triebwerksleistungen 129
8.5.2 Leistungsbilanzen 131
8.6 Höhen-/Geschwindigkeitsdiagramm, Avoid Zones 138
8.7 Autorotation (AR) 140
9 Auslegung des Hauptrotors 144
9.1 Rotordurchmesser 145
9.2 Blattspitzenumlaufgeschwindigkeit 146
9.3 Blattgeometrie 147
9.3.1 Blattflächen und -tiefen 151
9.3.2 Manövrierbarkeit 152
9.3.3 Blattzahl 152
9.3.4 Trapezform, Zuspitzung 153
9.3.5 Verwindung 155
9.4 Profilierung 157
9.4.1 Grenzen des maximalen Auftriebsbeiwertes, stationär 158
9.4.2 Maximale Auftriebsbeiwerte im Bereich hoher Machzahlen 159
9.4.3 Instationäre Auftriebsbeiwerte 160
9.4.4 Der Widerstandsbeiwert, stationär und dynamisch 161
9.4.5 Der Momentenbeiwert stationär und dynamisch 161
9.4.6 Feinabstimmungen der Profilierung 164
9.5 Weitere Auslegungsparameter 166
9.5.1 Drehrichtung, Trägheitsmomente, Blattspitzen 166
9.5.2 Zusammenstellung aktueller Rotoren 167
10 Der Hubschrauber als Gesamtsystem 170
10.1 Die Bewegungsgleichungen 171
10.1.1 Der allgemeine instationäre Flug 171
10.1.2 Eingrenzung der Freiheitsgrade 173
10.1.3 Der stationäre Flug 174
10.2 Flugdynamik 175
10.2.1 Linearisierter Ansatz für die Luftkräfte 176
10.2.2 Die Bewegungsgleichungen für kleine Störungen 177
10.2.3 Flugdynamische Eigenschaften 179
10.2.4 Inverse Bestimmung der Derivativa, Übertragungsfunktionen 193
11 Flugtechnische Stabilitäten 197
11.1 Die statische Längsstabilität 197
11.2 Die Anstellwinkelstabilität 198
11.3 Richtungsstabilität, Spiralbewegung 198
11.4 Das laterale Gleichgewicht 199
11.5 Dynamische Stabilität 200
11.6 Mindestforderungen bezüglich der Stabilitäten 201
11.7 Künstliche Stabilität, Flugregelung 201
11.8 Kopplungen 204
12 Steuerbarkeit 210
12.1 Steuerbarkeitsforderungen an Zivilhubschrauber 211
12.2 Zeitkonstante, Steuerempfindlichkeit, -wirksamkeit 211
12.3 Rating Scales 214
12.4 Normpilotenmodell 215
12.5 Das Steuerbarkeitsdiagramm 216
12.5.1 Langsame Steuereingaben 216
12.5.2 Ursprüngliche Forderungen 216
12.5.3 Neufassung der Steuerbarkeitsforderungen 218
12.6 Höherfrequente Ansteuerungen/Reaktionen 221
12.6.1 Dynamische Stabilitätskriterien mittelschneller Reaktionsbewegungen 221
12.6.2 Sekundärreaktionen 224
12.6.3 Hochfrequente rückkoppelnde Steuerbewegungen kleiner Amplituden 225
12.7 Flugerprobung unter Berücksichtigung der neuen Kriterien 236
13 Spiegelung des Aeronautical Design Standard 33 an Projekten 237
13.1 Nachweisbedingungen 238
13.1.1 Zuordnung der Leistungskategorien zu den MTE 238
13.1.2 Sichtverhältnisse, G/DVE 240
13.1.3 Hilfen zur Wahrnehmung der Umgebung, UCE 240
13.1.4 Einsatzenvelope (Operational Flight Envelope, OFE) 241
13.1.5 Geteilte Aufmerksamkeit (Divided Attention Operation, DAO) 242
13.1.6 Ausfälle 242
13.2 Die neue Systematik in der Praxis 243
13.2.1 Definitionen und Generelles 244
13.2.2 Quantitative Kriterien 245
13.2.3 Hochfrequente Steuerbarkeit der UH-60A Black Hawk 247
13.3 Flugversuchsmanöver 248
13.3.1 Flugversuchsmanöver für Transporthubschrauber 248
13.3.2 Definition der Versuchsbedingungen und -manöver 249
13.3.3 Auswertung der Messkampagnen 252
14 Ausblick 254
Literatur 256
Bildnachweis 257
Stichwortverzeichnis 258

11 Flugtechnische Stabilitäten (S. 174-175)

Aus dem zunächst unbeeinflussten Zusammenspiel aller Kräfte und Momente an den verschiedenen Bauteilen des Hubschraubers ergibt sich, wie in Kap. 10.2 dargestellt, dessen systemtypische Dynamik und damit auch dessen flugtechnischen Stabilitätseigenschaften. Diese stehen in Wechselwirkung mit den Steuereigenschaften, die in den Kapiteln 12 und 13 behandelt werden. Durch geeignete Auslegung, sowohl des Systems Hubschrauber in seiner Konfiguration als auch des Steuerungssystems, möglichst stabilen Flug zu erreichen ist ein wesentliches Ziel bei der Optimierung der Flugeigenschaften. Mangelhafte Stabilitäten können zum Verlust der Steuerbarkeit führen. Bewegungen, hervorgerufen durch zu starke Instabilitäten, desorientieren den Piloten, entstehende Luftkräfte können die Struktur der Maschine überfordern. Stabilität entlastet also den Piloten, erhöht die Sicherheit der Einsätze, besonders im Blindflug und bei bodennahen Manövern.

11.1 Die statische Längsstabilität

Ein Hubschrauber wird als statisch längsstabil bezeichnet (eigentlich müsste es geschwindigkeitsstabil heißen), wenn er einer Störung seines stationären (ausgetrimmten) Fluges unmittelbar tendenziell entgegenwirkt, gleichgültig welche Reaktionen sonst noch auftreten. Für den Piloten bedeutet statische Längsstabilität gefühlsmäßig richtiges Sticknach- vorn-drücken, um höhere Vorwärtsgeschwindigkeiten einzusteuern. Jeder Knüppelstellung ist dann eine Fluggeschwindigkeit eindeutig zugeordnet, in positivem und stetigem Abhängigkeitsverhältnis. Bei einer positiven Fluggeschwindigkeitsstörung im Vorwärtsflug (also etwa einer Bö von vorn) muss demnach der Hubschrauber selbständig die Nase heben, um die vermeintlich zu hohe Geschwindigkeit abzubauen. Das Nickmoment der Gesamtmaschine muss also positiv sein.

Das bereits bekannte Derivativum Mu, erzeugt durch die Schlagbewegung der Rotorblätter und immer stärker angeregt durch die Geschwindigkeitssteigerung, ist hier das relevante, es hat diese verlangte Tendenz. Das Kriterium, das den Schwebeflug instabil macht, erzeugt im Vorwärtsflug die für die Zulassung wichtige statische Stabilität. Destabilisierend wirken vor allem der Rumpf und der angesteuerte Rotor. Durch andere Hubschrauberbauteile, vor allem mit dem Höhenleitwerk, kann der Gradient des Nickmomentes eingestellt werden. Ein verstärkt negativ angestelltes Höhenleitwerk wirkt zusätzlich stabilisierend.

Die Destabilisierung durch den angesteuerten Rotor entsteht durch das für die Steuerung benötigte Moment aus dem Schubvektor mal dem Abstand von dessen Wirklinie zum HS-Schwerpunkt. Im Schwebeflug gibt es zunächst kein Gegenmoment, weshalb alle Hubschrauber in diesem Flugzustand instabil sind. Der Gradient des Nickmomentes pro Steuerausschlag darf nicht zu flach werden, sonst reicht der Steuerweg des Stick möglicherweise nicht aus. Ein zu steiler Gradient erzeugt unangenehm abrupte Steuerwirkungen. Statisch instabile Hubschrauber sind fliegbar, erfordern aber dauernden Eingriff des Piloten zur Einhaltung der gewünschten Geschwindigkeit und beanspruchen damit höchste Aufmerksamkeit. Zur Geschwindigkeitsaufnahme muss bei solchen Hubschraubern der Stick zunächst nach vorn gedrückt und nach Erreichen der gewünschten Geschwindigkeit wieder in die Nähe der Trimmstellung gezogen werden. Für die Zulassung entsprechend IFR muss zusätzlich zum Weg- auch der Kraftgradient am Stick stetig und positiv sein.

11.2 Die Anstellwinkelstabilität

Die Anstellwinkelstabilität zeigt sich als Manöverstabilität, also vor allem im Kurvenflug. Ist dabei „Ziehen" am Stick erforderlich, spricht man von positiver Manöver- oder Anstellwinkelstabilität. Der Pilot agiert zur erfahrenen Flugsituation „richtig". Manöverstabilität ist also wichtig für den Lastvielfachenflug, der zyklisch einzusteuern ist, unter Beibehaltung der Geschwindigkeit und ohne Änderung der kollektiven Ansteuerung. Die Lastvielfachen entstehen durch Anstellwinkelerhöhung an den Blattelementen, erzeugt durch leichten Sinkflug. Die zur erforderlichen Schubsteigerung und zum Geschwindigkeitserhalt benötigte Mehrleistung wird der Potentialenergie der Gesamtmaschine entnommen. Der angesteuerte Hauptrotor wirkt auch hier destabilisierend. Im gleichen Sinn wirkt der Rumpf. Die zyklische Ansteuerung verstärkt die Schlagreaktion der Blätter und damit das gegensteuernde Mu.