Hubschrauber
Flug- und Betriebsprinzipien
Im Gegensatz zu Starrflüglern besteht die Haupttragfläche des Hubschraubers aus den rotierenden Blättern (Rotor), die oben auf dem Rumpf an einer gelenkigen Welle (Mast) angebracht sind, die mit dem Motor und der Flugsteuerung des Fahrzeugs verbunden ist. Im Vergleich zu Flugzeugen ist das Heck eines Hubschraubers etwas länglicher und das Seitenruder kleiner; das Heck ist mit einem kleinen Antidrehmoment-Rotor (Heckrotor) ausgestattet. Das Fahrwerk besteht manchmal aus einem Paar Kufen statt aus Rädern.
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Die Tatsache, dass der Hubschrauber seinen Auftrieb mit Hilfe eines rotierenden Tragflügels (dem Rotor) erzeugt, verkompliziert die Faktoren, die seinen Flug beeinflussen, erheblich, denn der Rotor dreht sich nicht nur, sondern er bewegt sich auch in einer Schlagbewegung auf und ab und wird von der horizontalen oder vertikalen Bewegung des Hubschraubers selbst beeinflusst. Im Gegensatz zu den üblichen Flugzeugtragflächen sind die Tragflächen von Hubschraubern in der Regel symmetrisch. Die Sehnenlinie eines Rotors ist wie die Sehnenlinie eines Flügels eine imaginäre Linie, die von der Vorderkante zur Hinterkante des Profils gezogen wird.
Der relative Wind ist die Richtung des Windes im Verhältnis zum Profil. Bei einem Flugzeug ist die Flugbahn des Flügels in Bezug auf seinen Vorwärtsflug festgelegt; bei einem Hubschrauber bewegt sich die Flugbahn des Rotors im Zuge seiner Kreisbewegung nach vorne (zur Nase des Hubschraubers) und dann nach hinten (zum Heck des Hubschraubers). Der Relativwind wird immer als parallel und entgegengesetzt zur Flugbahn verlaufend betrachtet. Bei der Betrachtung des Hubschrauberflugs kann der relative Wind durch die Rotation der Blätter, die horizontale Bewegung des Hubschraubers, das Schlagen der Rotorblätter sowie die Windgeschwindigkeit und -richtung beeinflusst werden. Im Flug ist der relative Wind eine Kombination aus der Rotation der Rotorblätter und der Bewegung des Hubschraubers.
Wie ein Propeller hat der Rotor einen Steigungswinkel, der der Winkel zwischen der horizontalen Rotationsebene der Rotorscheibe und der Sehnenlinie des Tragflügels ist. Mit der kollektiven und zyklischen Pitch-Steuerung (siehe unten) kann der Pilot diesen Pitch-Winkel verändern. Bei einem Flugzeug mit festem Flügel ist der Anstellwinkel (der Winkel des Flügels im Verhältnis zum relativen Wind) wichtig für die Bestimmung des Auftriebs. Dasselbe gilt für einen Hubschrauber, bei dem der Anstellwinkel der Winkel ist, in dem der relative Wind auf die Sehne des Rotorblatts trifft.
Anstellwinkel und Anstellwinkel sind zwei unterschiedliche Bedingungen. Durch die Veränderung des Anstellwinkels eines Rotorblattes ändert sich sein Anstellwinkel und damit sein Auftrieb. Ein größerer Anstellwinkel (bis zum Strömungsabriss) erhöht den Auftrieb, ein kleinerer Anstellwinkel verringert ihn. Die Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter werden individuell eingestellt.
Die Motordrehzahl steuert ebenfalls den Auftrieb – je höher die Umdrehungen pro Minute (U/min), desto höher der Auftrieb. Der Pilot versucht jedoch in der Regel, eine konstante Rotordrehzahl beizubehalten, und ändert die Auftriebskraft durch Veränderung des Anstellwinkels.
Wie bei Starrflüglern beeinflusst die Luftdichte (das Ergebnis von Lufttemperatur, -feuchtigkeit und -druck) die Leistung des Hubschraubers. Je höher die Dichte, desto mehr Auftrieb wird erzeugt; je geringer die Dichte, desto weniger Auftrieb wird erzeugt. Genau wie bei Starrflüglern führt eine Änderung des Auftriebs auch zu einer Änderung des Widerstands. Wenn der Auftrieb durch Vergrößerung des Anstellwinkels und damit des Anstellwinkels erhöht wird, nimmt der Widerstand zu und verlangsamt die Rotordrehzahl. Um die gewünschte Drehzahl aufrechtzuerhalten, ist dann zusätzliche Leistung erforderlich. Während ein Hubschrauber also wie ein herkömmliches Flugzeug von den Kräften des Auftriebs, des Schubs, des Gewichts und des Widerstands beeinflusst wird, führt seine Flugweise zu zusätzlichen Effekten.
In einem Hubschrauber werden die gesamten vom Rotor erzeugten Auftriebs- und Schubkräfte senkrecht zu seiner Rotationsebene ausgeübt. Wenn ein Hubschrauber bei Windstille schwebt, ist die Drehebene des Rotors (die Bahnspitzenebene) parallel zum Boden, und die Summe der Gewichts- und Widerstandskräfte ist durch die Summe der Schub- und Auftriebskräfte genau ausgeglichen. Im Vertikalflug sind die Komponenten von Gewicht und Luftwiderstand in einem einzigen Vektor vereint, der gerade nach unten gerichtet ist; die Komponenten von Auftrieb und Schub sind in einem einzigen Vektor vereint, der gerade nach oben gerichtet ist. Um den Vorwärtsflug eines Hubschraubers zu erreichen, wird die Rotationsebene des Rotors nach vorne gekippt. (Dabei wird nicht der Rotormast des Hubschraubers gekippt, sondern der Anstellwinkel der einzelnen Rotorblätter innerhalb der Rotationsebene verändert.) Für den Seitwärtsflug wird die Rotorebene in die gewünschte Richtung gekippt. Für den Rückwärtsflug wird die Drehebene des Rotors nach hinten geneigt.
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Da der Rotor angetrieben wird, entsteht ein gleiches und entgegengesetztes Drehmoment, das dazu neigt, den Rumpf in eine dem Rotor entgegengesetzte Richtung zu drehen. Dieses Drehmoment wird durch den Heckrotor (Antidrehmomentrotor), der sich am Ende des Rumpfes befindet, ausgeglichen. Der Pilot steuert den Schub des Heckrotors mit Hilfe von Fußpedalen und neutralisiert das Drehmoment je nach Bedarf.
Es gibt noch andere Kräfte, die auf einen Hubschrauber einwirken, die bei einem herkömmlichen Flugzeug nicht auftreten. Dazu gehört der gyroskopische Präzessions-Effekt des Rotors, d.h. die durch die Vorwärtsbewegung des Hubschraubers erzeugte Auftriebsasymmetrie, die dazu führt, dass das vorlaufende Blatt mehr Auftrieb hat und das rücklaufende Blatt weniger. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das vorlaufende Blatt eine kombinierte Geschwindigkeit aus der Blattgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Hubschraubers im Vorwärtsflug hat, während das rücklaufende Blatt die Differenz zwischen der Blattgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Hubschraubers hat. Dieser Geschwindigkeitsunterschied bewirkt einen Unterschied im Auftrieb – das vorwärts fliegende Blatt bewegt sich schneller und erzeugt daher mehr Auftrieb. Unkontrolliert würde dies dazu führen, dass der Hubschrauber rollt. Der Auftriebsunterschied wird jedoch durch das Schlagen der Blätter und durch zyklisches Befiedern (Änderung des Anstellwinkels) ausgeglichen. Da die Blätter mit horizontalen Schlaggelenken an der Rotornabe befestigt sind, die ihre Bewegung in einer vertikalen Ebene ermöglichen, schlägt das vorrückende Blatt nach oben, wodurch sich sein Anstellwinkel verringert, während das rückläufige Blatt nach unten schlägt, wodurch sich sein Anstellwinkel vergrößert. Durch diese Kombination von Effekten wird der Auftrieb ausgeglichen. (Die Blätter sind außerdem mit einem vertikalen Scharnier an der Nabe befestigt, das es jedem Blatt ermöglicht, sich in der Rotationsebene hin und her zu bewegen. Das vertikale Scharnier dämpft die Vibrationen und absorbiert die Auswirkungen von Beschleunigung und Verzögerung). Im Vorwärtsflug bewirkt die Stellung der zyklischen Pitch-Steuerung einen ähnlichen Effekt und trägt zum Auftriebsausgleich bei.
Zu den weiteren Kräften, die auf Hubschrauber wirken, gehören das Koning, die durch die Zentrifugalkraft verursachte Aufwärtsbiegung der Blätter, der Coriolis-Effekt, die Beschleunigung oder Verzögerung der Blätter, die durch die Schlagbewegung verursacht wird, die sie näher an die Drehachse bringt (Beschleunigung) oder weiter von ihr entfernt (Verzögerung), und die Drift, die Tendenz des Heckrotorschubs, den Hubschrauber im Schwebeflug zu bewegen.