12.11 Der Rotorflug

Sogenannte „Drehflügler“ sind Luftfahrzeuge, bei denen mindestens ein, um eine senkrechte Achse drehender, Rotor für den Auftrieb sorgt.

Bereits 1490 skizzierte der als Universalgenie geltendene Leonardo da Vinci ein schraubenartiges Fluggerät, das an einen heutigen Hubschrauber erinnert (Bild 12.70).

Die Luftschraube von Leonardo da Vinci

Bild 12.70: Die Luftschraube von Leonardo da Vinci

Es sollte aber noch bis zu den 1930er Jahren dauern, bis zuverlässige Drehflügler entwickelt wurden.

Das Vorbild stammte vermutlich auch hier aus der Natur: Die Flügelsamen des Ahorns zum Beispiel nutzen das Prinzip der Autorotation für ihren Flug.

In diesem Kapitel wirst du erfahren, wie der Auftrieb und die Steuerung von Hubschraubern funktionieren.

12.11.1 Der Hauptrotor

Hubschrauber haben einen waagrecht drehenden Rotor auf dem zwei oder mehr Rotorblätter angebracht sind. Jedes Rotorblatt wirkt wie eine Tragfläche und erzeugt Auftrieb (12.10.3).

Hubschraubers beim Schweben über Wasser

Bild 12.71: Hubschraubers beim Schweben über Wasser

Der Hauptrotor gestattet es einem Hubschrauber an einem Punkt über dem Boden zu schweben (Bild 12.71). Durch Änderung der Drehzahl dieses Rotors kann ein Hubschrauber steigen und sinken.

12.11.2 Der Heckrotor

Sobald ein Hubschrauber in der Luft ist, bewirkt die Drehimpulserhaltung, dass sich Rotor und Rumpf in entgegengesetzte Richtungen drehen. Um einen geraden Kurs zu halten, benötigt man ein Gegendrehmoment. Es gibt mehrere Möglichkeiten dieses Gegendrehmoment zu erzeugen:

Zwei transversale Rotoren (Bell-Boeing V-22)

Bild 12.72: Zwei transversale Rotoren (Bell-Boeing V-22)

Durch Änderung der Drehzahl des Heckrotors kann ein Hubschrauber den Rumpf nach links oder rechts drehen, ohne seine Position zu verändern.

12.11.3 Die Taumelscheibe

Damit ein Hubschrauber nach vorne, nach hinten und zur Seite fliegen kann, befindet sich am Hauptrotor eine sogenannte Taumelscheibe (engl. swashplate). Sie gestattet einerseits für alle Rotorblätter den gleichen Anstellwinkel einzustellen (kollektive Blattverstellung). Andererseits kann der Anstellwinkel für eine bestimmte Position relativ zum Rumpf (zum Beispiel das Heck) fix einstellt werden (zyklische Blattverstellung). Jedes Rotorblatt nimmt dann denselben Anstellwinkel ein, wenn es am Heck vorbeidreht (Animation 12.73).

Veränderlicher Anstellwinkel durch gekippte Taumelscheibe

Bild 12.73: Veränderlicher Anstellwinkel durch gekippte Taumelscheibe

Um zum Beispiel nach vorne zu fliegen, kippt der Pilot die Taumelscheibe nach hinten. Dadurch wird Heckseitig der Anstellwinkel vergrößert und damit der Auftrieb dort erhöht. Der Hubschrauber kippt nach vorne und fliegt in diese Richtung.

Links:

12.11.4 Steuerung eines Hubschraubers

In Bild 12.74 sieht du das Cockpit eines Hubschraubers.

Hubschraubersteuerung

Bild 12.74: Hubschraubersteuerung

  • Mit dem Hebel links (rot) (engl. collective) wird die Drehgeschwindigkeit des Hauptrotors geregelt (steigen/sinken).
  • Mit den Pedalen (grün) (engl. pedals) wird die Drehgeschwindigkeit des Heckrotors gesteuert (Rumpf links/rechts drehen – „gieren“).
  • Mit dem Steuerknüppel (blau) (engl. cyclic) wird die Taumelscheibe in die entsprechende Richtung gekippt (kippen des Hubschraubers in die entsprechende Richtung – „nicken“).

12.11.5 Der Quadcopter

Von den vier Hauptrotoren drehen sich jeweils benachbarten Rotoren in unterschiedliche Richtung. Damit heben sich die Drehmomente auf und es entfällt ein Heckrotor (Bild 12.75).

Drohne mit vier Rotoren

Bild 12.75: Drohne mit vier Rotoren

Alle Rotoren beim Quadcopter haben eine fixe Achse und besitzen einen fixen Anstellwinkel (benötigen daher keine Taumelscheibe). Gesteuert wird nur über die Drehzahl der einzelnen Rotoren!

  • Um zu sinken oder zu steigen wird bei allen Rotoren die Drehzahl verringert oder erhöht.
  • Um den Quadcopter nach vorne zu senken („nicken“) wird die Drehzahl der beiden hinteren Rotoren erhöht und damit steigt der Auftrieb am Heck.
  • Beim „gieren“ des Quadcopters um die Vertikalachse werden die links- und rechtsdrehenden Rotoren jeweils unterschiedliche Drehzahl.