Teil 11: der Rotorkopf – Grundlagen
Wir schreiben das Jahr 1970, als Dipl.-Ing. Dieter Schlüter mit dem von ihm entwickelten weltweit ersten ferngesteuerten Bausatzmodell »Bell Huey Cobra« einen Flug über eine Strecke von 11,5 km und 28 Minuten Dauerflug absolvierte. Dieser Zeitpunkt sollte die Basis für die Weiterentwicklung durch neue, bahnbrechende Heli-Konzepte und deren Realisierung sein, wie wir sie heute als High Tech-Produkte auf dem Markt sehen. In der gleichen Entwicklungstendenz hat sich auch der Rotorkopf stark verändert. Dietmar Horak klärt über die Entwicklung auf.
Der Wunsch nach Komplexitätsentflechtung und das Fliegen von Elektrohubschraubern mit 3-Achsen-Stabilisierung konnten Entwickler und Konstrukteure nicht mehr ignorieren – sie wollen das auch nicht. Im Gegenteil! Schon vor Jahren ist dieser Trend erkannt worden. Einhergehend entfällt der komplexe Paddel-Rotorkopf und wurde durch den Flybarless-Rotorkopf sehr umfassend ersetzt.
Diese Entwicklungsspirale stellt aber auch heute die Basis für weiteres Entwicklungs-Know-How dar. Ich glaube, gerade in Bezug auf leistungsstärkere Akkus, doch auch hin zu maximal gewichtsoptimierten Modellhubschraubern, ist dieser fortschrittliche Weg noch lange nicht zu Ende.
Allgemeine Grundlagen
Der Modellhubschrauber muss um die drei Raum-Achsen steuerbar sein. Der Koordinatenursprung ist hierbei sein Schwerpunkt. Zu diesem Zweck übernimmt der Hauptrotor wichtige Wirkfunktionen. Dies ist einerseits das Kippen der Rotorebene zu allen Seiten, andererseits erzeugt er gemeinsam mit seinen Hauptrotorblättern den erforderlichen Auftrieb. Im Schwebe- und im Steigflug erzeugt der Hauptrotor also eine Schubkraft, die im stationären Schwebeflug mindestens seinem eigenen Gesamtgewicht entspricht. Seine Rotornabe ist mit der Hauptrotorwelle starr verbunden und wird vom elektrischen Antriebsmotor über das Hauptgetriebe mit Freilauf (siehe zurückliegende Artikel) in Rotation versetzt. Die Hauptrotorwelle mit seinem Hauptrotorkopf und den Hauptrotorblättern bildet den sogenannten Rotormast. Der Rotormast wird also durch die vom Hauptrotor erzeugten Kräfte und Momente sowie durch das Antriebsmoment belastet.
Im Standlauf, als auch im Flugbetrieb, unterliegt das ganze System Wechselbelastungen. Die dominanten Belastungen werden in der Folge durch die Zentrifugalkräfte an den rotierenden Hauptrotorblättern, durch die Blattbiegung und das Antriebsmoment bestimmt.
Kompakte aerodynamische Grundlagen zum Hauptrotor
Im Vorwärtsflug des Modellhubschraubers entsteht eine Anströmgeschwindigkeit. Diese Anströmung wird durch die Rotationsbewegung des Hauptrotors und die Vorwärtsbewegung des Modellhubschraubers selbst erzeugt. In konkret dieser Flugphase herrscht am »vorlaufenden Hauptrotorblatt« eine höhere Anströmgeschwindigkeit als beim »rücklaufenden Hauptrotorblatt«. Beim Rücklauf gibt es einen Bereich der Rückanströmung. Die Hauptrotorblätter befinden sich – aerodynamisch betrachtet – in einer sogenannten instationären Strömung.
Daher entsteht am vorlaufenden Hauptrotorblatt ein höherer Auftrieb als beim rücklaufenden. Bei starr befestigten Hauptrotorblättern würde jetzt ein Roll-Moment um die Längsachse entstehen. Um das zu vermeiden, hat der Hauptrotorkopf eine gedämpfte Blattlagerwelle, die in der Folge diese ungleichmäßige Anströmung durch eine Schlagbewegung ausgleicht.
Die Strömung ist instationär, wenn dessen Strömungsgrößen wie Geschwindigkeit und Druck nicht nur von den Koordinaten des zur Beschreibung des Strömungsfeldes verwendeten Koordinatensystems, sondern auch von der Zeit abhängig sind. Durch die soeben beschriebenen Schlagbewegungen in Verbindung mit der Rotationsbewegung des Hautrotors entstehen weiterhin die …
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