Hubschrauber

Ein Hubschrauber (vor allem in der Schweiz auch: Helikopter, abgekürzt: Heli, zu griech. hélix "Windung; Spirale" und pterón "Flügel"; engl. helicopter) ist ein Flugzeug und Luftfahrzeug, das durch einen oder mehrere motorisch angetriebene Drehflügel Auftrieb und Vortrieb erhält.

Die Drehflügel, Rotor genannt, wirken wie drehende Tragflächen, daher gehören die Hubschrauber auch zu den Drehflügelflugzeugen, im Gegensatz zu den normalen Starrflügelflugzeugen.

Funktion

Datei:Heli 4.PNG

Kollektive und zyklische Blattverstellung

Die rotierenden Rotorblätter erzeugen, wie die starren Tragflächen beim Flugzeug, infolge ihrer Anstellung gegenüber der Anströmungsgeschwindigkeit einen dynamischen Auftrieb. Beim schwebenden Hubschrauber entspricht die Anströmgeschwindigkeit der Umlaufgeschwindigkeit; wenn sich der Hubschrauber fortbewegt, wird sie von der Fluggeschwindigkeit überlagert.

Eine an allen Blättern gleichzeitige wirkende kollektive Blattverstellung verändert den Auftrieb und damit Steigen oder Sinken. Sie wird durch das Anheben oder Senken der Taumelscheibe gesteuert. Diese verdreht über ein mit dem Rotor mitlaufendes Gestänge die Rotorblätter an den Blattwurzeln und verändert damit deren Anstellwinkel.

Die zyklische Blattverstellung dagegen dient zur Steuerung von Vorwärts-, Seiten- oder Rückwärtsflug über den Hauptrotor. Hierbei wird die Blattanstellung während des Umlaufs um die Rotorachse (zyklisch) verändert, indem die Taumelscheibe geneigt wird. Beim Vorwärtsflug erhalten dabei die nach vorne laufenden Blätter einen geringeren Anstellwinkel und damit einen geringeren Auftrieb - die Rotorebene neigt sich nach vorne, der Luftstrom nach hinten, und es entsteht ein Schub nach vorne.

Die zyklischen Veränderungen des Auftriebs bewegen die Rotorblätter auf- und abwärts und verursachen damit am Blattanschluß veränderliche Kräfte. Diese werden durch mechanische Schlaggelenke am Rotorkopf aufgefangen. Beim Vorwärtsflug wiederum bewirkt der unterschiedliche Luftwiderstand beim Vor- oder Zurückschwenken, dass die Blätter ’’vorauseilen’’ bzw. ’’zurückbleiben’’. Diese Bewegungen in der Rotorebene werden durch Schwenkgelenke abgefangen. Neuere Rotorkopf-Hauptrotorblatt-Kombinationen kommen ganz ohne Gelenke aus (starrer Rotorkopf), da die Rotorblätter flexibel sind (z.B. beim BO-105 aus GFK) und so die dynamischen Kräfte aufnehmen können.

Giermomentausgleich

Wird der Rotor durch den Antrieb in Drehung versetzt, so entsteht an der Rotorachse ein Drehmoment (Giermoment), das den Rumpf in die entgegengesetzte Richtung drehen würde. Um dieses auszugleichen, gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:

Seitlich wirkender Heckrotor, die Heckrotor-Konfiguration; s.a. Fenestron und NOTAR.
Zwei gegenläufige Hauptrotoren, deren Giermomente sich ausgleichen - als Koaxialrotor oder als Tandem-Konfiguration, hier sind Anordnungen hintereinander oder nebeneinander möglich, auch ineinandergreifende Rotoren mit gekippter Drehachse (Flettner-Doppelrotor).

Heckrotoren gibt es in Ausführungen mit zwei bis fünf Blättern. Um die Lärmerzeugung zu verringern, geht man z.B. bei vierblättrigen Rotoren dazu über, diese in X-Form anzuordnen. Eine besonders leise Variante ist der Fenestron, ein ummantelter Propeller im Heckausleger mit bis zu 12 Blättern. Diese sind zudem teils in variierendem Abstand angeordnet, damit der Lärm über mehrere Frequenzen verteilt wird und damit insgesamt leiser erscheint.

In der Regel ist die Drehzahl des Heckrotors über eine feste Verbindung mit der des Hauptrotors gekoppelt, der Antrieb erfolgt dann aus dem Hauptgetriebe über Wellen und Umlenkgetriebe. Die Kraft zur Steuerung der Gierachse wird über unterschiedliche Anstellwinkel der Heckrotorblätter geregelt, nach dem gleichen Prinzip wie die kollektive Verstellung des Hauptrotors.

Während des Reiseflugs ist bei vielen Hubschraubern der Heckrotor ohne Funktion: Das Seitenleitwerk wird durch den Vorwärtsflug angeströmt und kompensiert so das Giermoment. Die Endplatten haben daher eine leichte Schrägstellung zur Seite, abhängig von der Drehrichtung des Hauptrotors.

Sollte der Antrieb ausfallen, können Hubschrauber trotzdem sicher landen. Sie gehen dann in einen Sinkflug über, wobei durch die Luftströmung der freilaufende Rotor angetrieben wird. Dieses wird als Autorotation bezeichnet (siehe auch Autogyro). Auch ein Ausfall des Heckrotors (z.B. durch Bruch der Antriebswelle oder der Steuerstangen für den Anstellwinkel) führt nicht zwangsläufig zum Absturz. Bei ausreichender Vorwärtsgeschwindigkeit können Seitenleitwerk und Endplatten das Giermoment kompensieren. Der Hubschrauber kann dann ähnlich wie ein Flugzeug landen (mit einem Kufenlandegestell z.B. auf Gras).

Geschwindigkeit

Hubschrauber können nicht so schnell wie Flugzeuge fliegen, meistens 200-250 km/h, einige Kampfhubschrauber bis 340 km/h. Auch die maximale Flughöhe ist begrenzt und liegt bei ungefähr 5000 Metern, wobei einzelne Modelle unter gesonderten Bedingungen auf eine Dienstgipfelhöhe von bis zu 9000 Metern gelangen können. Der Höhenrekord von 10.211 m wurde im Mai 2005 von Didier Delsalle mit einem Eurocopter Ecureuil/AStar AS350B3 aufgestellt.

Der Grund für die beschränkte Höchstgeschwindigkeit liegt in der Aerodynamik der Rotorblätter: Schaut man von oben auf die Rotor-Ebene des Hubschraubers, so bewegt sich für einen Beobachter bei einem zweiblättrigen Hubschrauber ein Rotorblatt mit einer bestimmten Geschwindigkeit (der Drehgeschwindigkeit) nach vorne zur Nase, das andere zum Heck. Zu der Drehgeschwindigkeit des Rotorblatts addiert sich nun die Geschwindigkeit des Hubschraubers.

Es kommt lokal am vorschlagenden Blatt zu einer Überschallgeschwindigkeit, das führt zum Abreißen der Strömung, die negative Einflüsse auf die Flugeigenschaften haben - für den Piloten äußert sich dies in starken Schwingungen, die die Kontrolle des Hubschraubers unmöglich machen können. Meist wird die Vorwärtsgeschwindigkeit eines Hubschraubers jedoch durch einen Strömungsabriss des rücklaufenden Rotorblattes begrenzt. Das nach hinten laufende Rotorblatt erhält einen größeren Anstellwinkel als das nach vorne laufende Blatt. Am inneren Bereich des rücklaufenden Rotorblattes kommt es durch die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers zu einer Anströmung von der Blatthinterseite aus. Am äußeren Bereich des rücklaufenden Rotorblattes kommt es durch den erhöhten Anstellwinkel zu einem Strömungsabriss. Daher kippen viele Hubschrauber in Richtung zum rücklaufenden Rotorblatt, bevor das vorlaufende Blatt in den Überschallbereich kommt.

Dafür kann ein Hubschrauber in der Luft stehen bleiben (Schwebeflug, auch "Hover" genannt) und sogar rückwärts und seitwärts fliegen. Außerdem kann er sich im Schwebeflug und imlangsamen Vorwärts- oder Seitwärtsflug um die Hochachse ((Gierachse) drehen. Zudem kann ein Hubschrauber senkrecht starten und landen (VTOL) und benötigt daher keine Start- und Landebahnlänge wie vergleichsweise ein Flugzeug, sondern nur einen ebenen Platz von ausreichendem Durchmesser.

Für Hubschrauber gibt es viele Verwendungsmöglichkeiten, sowohl im militärischen wie auch im zivilen Bereich, der Rettungstransport für erkrankte und verletzte Personen gehört dazu. Daneben werden Hubschrauber auch etwa zur Bekämpfung von Waldbränden, als fliegender Kran und zur Verkehrsüberwachung eingesetzt.

Entwicklungsgeschichte

Schon Leonardo da Vinci hat Ende des 15. Jahrhunderts Skizzen eines Hubschraubers angefertigt, aber erst im 20. Jahrhundert gelang die technische Umsetzung dieser Idee. Pioniere der Hubschrauberentwicklung waren Alberto Santos Dumont, Louis Bréguet, Juan de la Cierva, Étienne Oehmichen, Oscar von Asboth und Igor Sikorsky.

In den frühen 30er Jahren bauten Louis Bréguet und Rene Dorand mit dem Gyroplane-Laboratoire den weltweit ersten Hubschrauber; er hatte einen Koaxialrotor, flog längere Zeit stabil und hielt bis zum Juni 1937 alle internationalen Rekorde für Hubschrauber. 1937 übernahm der Focke-Wulf Fw 61, der eine Tandem-Konfiguration benutzte, die Spitzenposition. Beide Hubschrauber waren Einzelstücke. In Serie gebaut wurde dagegen noch während des zweiten Weltkriegs der Sikorsky R-4 Hoverfly, ein Nachfolger des Sikorsky VS-300.

1955 rüstete die französische Firma Sud Aviation ihren Hubschrauber Alouette II mit einer 250 kW-Turboméca-Artouste-Wellenturbine aus und baute damit den ersten Hubschrauber mit Gasturbinenantrieb.

Ein weiterer technischer Meilenstein war der deutsche MBB BO-105, der 1961 als erster Hubschrauber einen gelenklosen Rotorkopf und Kunststoff-Rotorblätter einsetzte.

1968 startete mit dem sowjetischen Mil Mi-12 der größte jemals gebaute Hubschrauber, mit einem Startgewicht von 105 t und einer Nutzlast von 40 t.

Heute fliegt bereits die vierte Hubschrauber-Generation, z.B. der Eurocopter EC 135, der moderne Verbundwerkstoffe und ein Glascockpit einsetzt.

Seit den siebziger Jahren gibt es auch flugfähige, ferngesteuerte Modellhubschrauber, die heute ihren großen Vorbildern fliegerisch in nichts nachstehen oder teilweise überlegen sind.

Zum Führen eines Hubschraubers benötigt man in Deutschland eine Privatpilotenlizenz (PPL) oder eine Berufshubschrauberpilotenlizenz (CPL); beide setzen u.a. ein gültiges fliegerärztliches Tauglichkeitszeugnis voraus.

Steuerung eines Hubschraubers

Datei:Fsykorsky.jpg

Cockpit einer Sikorsky CH-53

Ein Hubschrauber ist konzeptionell ein instabiles Luftfahrzeug, das heißt, er hat ständig die Tendenz, in irgendeine Richtung zu kippen oder zu drehen. Um zielgerichtet fliegen zu können, muss der Pilot diese Bewegungen durch kontinuierliche Steuereingaben abfangen, vor allem beim Schwebeflug oder geringer Geschwindigkeit. Oberhalb von ca. 60 Knoten verhält sich ein Hubschrauber ähnlich wie ein Flugzeug und ist entsprechend einfach zu steuern.

Zur Steuerung des Hubschraubers benötigt der Pilot (anders als im Starrflügel-Flugzeug üblicherweise rechts sitzend) beide Hände und Füße. Mit der linken Hand kontrolliert er die Kollektive Blattverstellung (engl. Pitch, s. 'Funktion') und damit den Auftrieb. Um beim Aufstieg den Abfall der Rotordrehzahl zu verhindern, wird auch die Motorleistung und damit das erzeugte Drehmoment erhöht, manuell oder automatisch. Mit der rechten Hand kontrolliert der Pilot über einen Steuerknüppel die zyklische Blattverstellung, d.h. die Neigung der Taumelscheibe und damit die Bewegung um Längs- und Querachse.

Vor sich am Boden hat der Pilot schließlich zwei Pedale, mit denen der Heckrotor und damit die Bewegung um die Gierachse, also die Rechts-Links-Drehung gesteuert wird.