Hubschrauber

Ein Hubschrauber (vor allem in der Schweiz auch: Helikopter, abgekürzt: Heli, zu griech. hélix "Windung; Spirale" und pterón "Flügel") ist ein Luftfahrzeug, das durch einen oder mehrere waagerechte Rotoren angetrieben wird.

Die Rotoren wirken wie sich drehende Tragflächen, daher gehören die Hubschrauber auch zu den Drehflügelflugzeugen, im Gegensatz zu den normalen Starrflügelflugzeugen. Dabei bewirkt der Rotor nicht nur den Auftrieb, sondern auch den Vortrieb.

Funktionsweise

Datei:Heli 4.PNG

Schweben des Hubschraubers - die Blattanstellung bleibt während des gesamten Umlaufs gleich

Datei:Fkmax.jpg

Den K-Max zeichnen die beiden ineinanderkämmenden Rotoren aus

Datei:Fsykorsky.jpg

Das Cockpit eines Sikorsky CH-53 Baujahr 1974

Eine französische Aérospatiale Alouette II (SA 315B-Lama BJ 1969) als Kamerahubschrauber

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 welche von der Fluggeschwindigkeit überlagert wird, wenn sich der Hubschrauber fortbewegt. Die Blattanstellung wird an allen Blättern gleichzeitig (kollektiv) durch das Anheben der Taumelscheibe vorgenommen, die auf der Rotorachse unter der Blattebene angeordnet ist. Über ein mit dem Rotor mitlaufendes Gestänge werden an den Blattwurzeln die Profilnasen angehoben bzw. gesenkt. Geht der Hubschrauber in den Vorwärtsflug, Seitenflug oder Rückwärtsflug über, so wird die Blattanstellung und damit der Auftrieb der Blätter während des Umlaufs um die Rotorachse verändert (zyklisch) indem die Taumelscheibe geneigt wird. Dabei erhalten im Normalflug die nach vorne laufenden Blätter einen geringeren Anstellwinkel und damit einen geringeren Auftrieb, die nach hinten laufenden Blätter werden höher angestellt und liefern einen grösseren Auftrieb. Infolgedessen neigt sich der Hubschrauber leicht nach vorne und erhält den nötigen Vortrieb. Die zyklischen Veränderungen des Auftriebs bewegen die Rotorblätter auf-und abwärts und verursachen am Blattanschluß veränderliche Drehmomente. Diese werden durch mechanische Schlaggelenke aufgefangen. Der mit dem wechselnden Auftrieb einhergehende veränderliche Widerstand bewirkt dass die Blätter ’’vorauseilen’’ bzw. ‚’'zurückbleiben’’ wollen. Diese Bewegungen in der Rotorebene werden durch Schwenkgelenke ermöglicht. Neuere Rotorkopf-Hauptrotorblatt-Kombinationen kommen ganz ohne Gelenke aus (gelenkloser Hauptrotor), da die Hauptrotorblätter flexibel sind (z.B. glasfaserverstärkter Kunststoff)und alle notwendigen dynamischen Bewegungen kompensieren.

Wird der Rotor durch den Antrieb in Drehung versetzt, so würde sich gleichzeitig der Rumpf in die entgegengesetzte Richtung drehen. Um den Hubschrauberrumpf stabil zu halten, muss daher das Giermoment ausgeglichen werden. Dieses kann auf mehrere Arten geschehen:

seitlicher kleiner Rotor am Heck, der eine seitliche Kraft ausübt
zweiter waagrechter Rotor, der sich in entgegengesetzter Richtung dreht und dadurch das Giermoment ausgleicht; hier sind Anordnungen hintereinander oder übereinander möglich
einen Luftstrom, der zum Heck geleitet und dort seitlich ausgeblasen wird. Diese Methode wird auch als sogenannte NOTAR-Konstruktion bezeichnet (Abkürzung für engl. NO TAil Rotor = kein Heckrotor)
seitlicher in Flugrichtung angebrachter Rotor, begünstigt durch seine Anordnung den Vortriebswirkungsgrad
zwei ineinander greifende Hauptrotoren, deren Drehachse einen Winkel von ca. 30° bilden.

Heckrotoren gibt es in verschiedenen Ausführungen. Mögliche Ausführungen sind zwei Blätter, drei Blätter oder vier Blätter oder ein ummantelter Heckrotor (Fenestron = Fensterchen, frz.). Da der Heckrotor ein Lärmfaktor ist, wird ständig versucht, den Heckrotor weiter zu entwickeln. Bei vierblättrigen Heckrotoren geht man dazu über, diese in X-Form anzuordnen. Die derzeit wahrscheinlich leiseste Form eines Heckrotors ist der Fenestron. Hierbei drehen sich die Blätter nicht frei in der Luft sondern befinden sich in einer Art Gehäuse im Heckausleger. Wie bei einem Jettriebwerk gibt es hier einen drehenden Anteil (Rotor) und einen festen Anteil (Stator). Damit der Lärmpegel aus dem Heckrotor gering ist, besteht ein Fenestron aus mehr als 4 Blättern (bis zu 12), die mit unterschiedlichem Abstand angeordnet sind. Dadurch wird der Lärm über mehrere Frequenzen verteilt und erscheint insgesamt leiser.

In der Regel hat der Heckrotor eine festgelegte Umdrehungsgeschwindigkeit, welche abhängig ist von der Umdrehungsgeschwindigkeit des Hauptrotors (feste Verbindung). Der Antrieb des Heckrotors erfolgt aus dem Hauptgetriebe (für die Hauptrotoren und sonstige Pumpen) heraus über Wellen und Umlenkgetriebe bis zum Heckrotor. Die Antriebswellen drehen sich normalerweise mit einer anderen Geschwindigkeit als der Heckrotor, um Interferenzen (Aufschwingen) zu vermeiden. Die Kraft zum Ausgleich des Giermoments wird über unterschiedliche Anstellwinkel der Heckrotorblätter erreicht (gleiches Prinzip wie die kollektive Verstellung des Hauptrotors). Für kleine Hubschrauber können andere Regeln gelten.

Während des Reisefluges ist bei vielen Hubschraubern der Heckrotor ohne Funktion (sofern die Richtung beibehalten wird). Das Seitenleitwerk und die Endplatten des Höhenleitwerkes werden durch den Vorwärtsflug angeströmt und kompensieren so das Giermoment. Die Endplatten haben daher eine leichte Schrägstellung zur Seite. In welche Richtung die Endplatten zeigen ist abhängig von der Drehrichtung des Hauprotors und der Anordnung des Heckrotors, da sich hieraus die Richtung des Giermoments ergibt.

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

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.

Die physikalische Begründung für die beschränkte Höchstgeschwindigkeit ist folgende: 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 (Schweben, Schwebeflug, auch "Hover" genannt) und sogar rückwärts und seitwärts fliegen. Außerdem kann er sich im Schwebeflug und langsamen Vorwärts- oder Seitwärtsflug um die Hochachse drehen. Außerdem kann ein Hubschrauber senkrecht starten und landen und benötigt daher keinen Flugplatz. Für Hubschrauber gibt es viele Verwendungsmöglichkeiten, sowohl im militärischen wie auch im zivilen Bereich, der Rettungstransport für erkrankte und verletzte Personen gehört wohl zu den bekanntesten. Daneben werden Hubschrauber außer zur normalen Personenbeförderung auch eingesetzt zur Bekämpfung von Waldbränden, als fliegender Kran, zur Verkehrsüberwachung und vieles mehr.

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. Die ersten flugfähigen, wenn auch wenig brauchbaren Hubschrauber stammen aus dem Jahr 1924. Der erste voll steuerbare Hubschrauber war die Focke-Wulf Fw 61 und wurde 1938 von Hanna Reitsch in der Berliner Deutschlandhalle vorgeführt. Der erste kommerziell erfolgreiche und nach dem Zweiten Weltkrieg in Serie gefertigte Hubschrauber war die amerikanische Bell 47 (mit Kolbenmotor), der erste turbinengetriebene Serienhubschrauber die französische Alouette II. Ein weiterer technischer Meilenstein war die MBB BO 105, die als erste Maschine über einen gelenklosen Rotorkopf verfügte. Heute fliegt bereits die vierte Hubschrauber-Generation, z.B. der Eurocopter EC 135 mit modernen Werkstoffen und Glascockpits. Seit den frühen siebziger Jahren gibt es nun auch flugfähige, ferngesteuerte Modellhubschrauber, die heute ihren großen Vorbildern fliegerisch in nichts nachstehen.

Zum Führen eines Hubschraubers benötigt man in Deutschland eine Privatpilotenlizenz PPL(H) oder eine Berufshubschrauberpilotenlizenz CPL(H). Voraussetzung zum Erwerb dieser Lizenzen ist u.a. ein gültiges fliegerärztliches Tauglichkeitszeugnis.

Steuerung eines Hubschraubers

Zunächst muss festgehalten werden, dass ein Hubschrauber konzeptionell ein instabiles Luftfahrzeug ist, das heißt er hat ständig die Tendenz, in irgendeine Richtung zu kippen oder zu drehen. Um sinnvoll fliegen zu können, muss der Pilot diese Kipp- und Drehtendenzen durch kontinuierliche Steuereingaben abfangen. Dies gilt insbesondere für den Flug mit wenig oder gar keiner Vorwärtsgeschwindigkeit. 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 (der im Gegensatz zu seinem Kollegen im Starrflügel-Flugzeug traditionellerweise rechts sitzt) beide Hände und Füße. Mit der linken Hand kontrolliert er die Kollektive Rotorblattverstellung (o.a.:Blattverstellhebel) (engl. Pitch), mit der der Anstellwinkel aller Rotorblätter verändert wird, wodurch der Auftrieb geregelt wird. Wenn der Anstellwinkel erhöht wird, erzeugt der Rotor mehr Auftrieb - der Hubschrauber steigt. Gleichzeitig würde die Rotordrehzahl abfallen. Um dies zu verhindern, wird das von den Motoren erzeugte Drehmoment erhöht. Der Hauptrotor dreht dadurch mit konstanter Geschwindigkeit. Mit der rechten Hand kontrolliert der Pilot über einen Steuerknüppel die Zyklische Rotorblattverstellung. Sie ändert den zyklischen Anstellwinkel jedes Rotorblatts, während es sich um die Rotorscheibe bewegt. Dadurch kann das Rotorsystem "gekippt" werden, und der Hubschrauber bewegt sich. Vor sich hat der Pilot schließlich zwei Pedale, mit denen der Heckrotor gesteuert wird. Durch Änderung der Leistung des Heckrotors kann der Hubschrauber bei niedrigen Geschwindigkeiten um die Hochachse rotieren.