Wieso kann ein Helikopter fliegen?


Warum kann ein Helikopter fliegen?
...wie steuert man einen Modellhelikopter?

RC- Heli Fliegen Grundlagen auf heli-planet.com

Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten/ Aerodynamik

Auftrieb

Um fliegen zu können, muss eine Kraft erzeugt werden, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Diese Kraft nennt man Auftrieb. Der Auftrieb wird an einem Flugzeug mittels der Tragflächen erzeugt. Tragflächen haben eine bestimmte Querschnittsform, um beim Flug über der Tragfläche einen Unterdruck (unter der Tragfläche einen Überdruck) zu erzeugen. Durch diese Druckunterschiede wirkt auf die Tragfläche und somit auf das gesamte Flugzeug eine zur Tragflächenoberseite gerichtete Kraft. Fliegt das Flugzeug in Normalfluglage, dann wirkt sogenannte Auftriebskraft nach oben und verhindert, dass das Flugzeug herunterfällt. Ein Flugzeug muss sich jedoch ständig vorwärts bewegen, damit die Luft die Tragflächen umströmt und dadurch aerodynamisch Auftrieb erzeugt. Ein Helikopter hat praktisch gesehen auch Tragflächen, nur werden diese beim Helikopter durch die Rotorblätter verkörpert. Die Rotation der Rotorblätter ist gleichzusetzen mit der Vorwärtsbewegung eines Flugzeuges, nur muss sich beim Helikopter lediglich der Rotor drehen - es ist nicht erforderlich, dass der Heli vorwärts fliegt um Auftrieb zu generieren. So ist es beim Helikopter möglich, auf der Stelle zu schweben und in verschiedene Richtungen zu fliegen, da nicht der Helikopter sich bewegen muss, sondern die "Tragflächen" (Rotorblätter) in Bewegung sind.

Die Rotorblatt- Flächen müssen sich mit relativ hoher Geschwindigkeit drehen/bewegen um genügend "Schub" zu erzeugen. So gesehen hat der Hauptrotor beim Helikopter eine Doppelfunktion. Er ist nämlich Tragfläche und Triebwerk zugleich.

Aerodynamik Prinzip Flugzeug
Aerodynamik Helikopter Prinzip

Luftwiderstand

Ein Helikopter braucht Luftwiderstand. Ohne Luftwiderstand geht gar nichts. In einem Vakuum, also einem luftleeren Raum (ohne Luft auch kein Luftwiderstand) könnte ein Heli überhaupt nicht fliegen. Wer schon einmal auf einem Berg jenseits der 3000m Höhe gewesen ist, der kann bestätigen, dass dort ziemlich "dünne" Luft ist. Mit zunehmender Höhe nimmt nämlich die Luftdichte ab. Das hat zur Folge, dass der Luftwiderstand sinkt. Ein Helikopter kann demnach nur bis zu einer bestimmten Höhe fliegen, das Gleiche gilt natürlich auch für Flächenflugzeuge. Außerdem haben große Helikopter Verbrennerantriebe, die Sauerstoff zum Verbrennen des Kraftstoffes benötigen. In zunehmender Höhe nimmt die Sauerstoffkonzentration ab. Normale Helikopter können daher nicht sehr viel höher als 5.000m fliegen. Erst mit speziellen Rotorblatt- und Antriebs- Konstruktionen sind größere Höhen möglich. Der Höhen- Weltrekord geflogen mit einem Heli (Eurocopter) liegt bei fast 13.000m. Es ist bisher auch erst einmal gelungen auf dem Mount Everest zu landen, ebenfalls mit einem Eurocopter (2005).

Eingehendere Info zum Thema gibt's hier unter Aerodynamik am Modellhelikopter

Das Rotorblatt eines Modell- Helikopters erreicht sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten und muss enormen Belastungen standhalten.


Der Hauptrotor und das Drehmoment

Ein Motor treibt den Rotor und somit die Rotorblätter gegen den Widerstand der Luft an. Das führt letztendlich dazu, dass ein Drehmoment entsteht, welches entgegengesetzt zur Rotordrehrichtung wirkt. Der Rest des Helikopters würde sich permanent entgegengesetzt zum Rotor drehen, wenn man hier nicht technisch Abhilfe schaffen würde. Eine von mehreren Möglichkeiten dem Drehmoment entgegenzuwirken, ist ein zweiter Haupt- Rotor auf derselben Achse der in entgegengesetzter Richtung dreht. Die Drehmomente beider Rotoren heben sich dabei gegenseitig auf. Der Heli würde sich dann nicht mehr drehen. So funktioniert das bei einem Koaxial- Helikopter, bei dem sich ein zweiter Rotor auf einer anderen Ebene entgegengesetzt dreht. Es kann auch ein zweiter gleich großer Rotor auf einer zweiten symmetrisch zur Längsachse des Heli angeordneten Drehachse in entgegengesetzter Richtung drehen. So funktioniert das bei einem Flettner- Helikopter bei dem zwei Rotoren in zwei sich überschneidenden Ebenen ineinanderkämmen. Eine weitere Möglichkeit, wie sie im Modellsport und im bemannten Heliflug überwiegend Anwendung findet, bläst ein Heckrotor Luft in entgegengesetzter Richtung zur Drehbewegung des Hauptrotors und erzeugt damit eine Kraft, die das Drehmoment des Hauptrotors aufhebt. Ohne Heckrotor oder würde der Helikopter sich wie ein Karussell drehen.

Mehr Informationen über Heli- Bauarten gibt es hier unter Rotor- Bauformen


Der Anstellwinkel der Rotorblätter, Blattverstellung (Pitch)

Die Blätter des Hauptrotors können während des Fluges alle gemeinsam und gleichmäßig in gleicher Richtung (im Kollektiv) im Anstellwinkel verstellt werden. Man nennt dies daher auch kollektiver Pitch oder Kollektive Blattverstellung. Die Verstellung der Pitchwinkel geschieht über Servos, Anlenkungen und die Taumelscheibe . Die Rotorblätter erzeugen bei steilerem Anstellwinkel einen größeren Auftrieb. Durch Verstellung des kollektiven Pitchwinkels wird die Höhe bzw. der Auftrieb des Helikopters kontrolliert, ohne die Drehzahl des Rotorkopfes ändern zu müssen. Die Rotordrehzahl bleibt also konstant und nur der Anstellwinkel der Rotorblätter wird verändert - so zumindest beim sogenannten CP (engl.: Collective Pitch)- Helikopter. Mit kollektiver Blattverstellung kann man einen Helikopter theoretisch schon abheben und wieder absinken lassen - aber man möchte ihn ja auch steuern bzw. die Bewegungsrichtung lenken können.
Das Steuern des Helikopters geschieht in der Regel mit Hilfe einer sogenannten zyklischen Blattverstellung - bzw. dem "Zyklischen Pitchwinkel". Der Begriff "zyklisch" bedeutet, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter im Umlauf während einer Umdrehung des Rotors veränderlich ist. So kann das Rotorblatt z. Bsp. wenn es sich während einer Umdrehung gerade vorn befindet kontrolliert Auftrieb erzeugen und wenn es sich hinten am Helikopter befindet keinen Auftrieb oder sogar Abtrieb erzeugen. Das würde dann zum Heben der Nase des Helikopters führen. Auch die zyklische Pitchverstellung wird mit Hilfe der sogenannten Taumelscheibe erreicht. Ein Helikopter, bei dem der kollektive als auch der zyklische Pitchwinkel verstellt werden kann, wird auch CP oder CCPM - Helikopter genannt.
Die Taumelscheibe auf der Hauptrotorwelle überträgt alle Steuerbewegungen auf den Rotorkopf - sowohl die kollektiven als auch die zyklischen Pitchbewegungen. Die Taumelscheibe kann sich auf der Rotorwelle nach oben und unten bewegen, die Taumelscheibe kann aber auch nach rechts oder nach links, nach hinten oder nach vorn gekippt werden. Daher der Name Taumelscheibe.
Die Taumelscheibe ist der Schlüssel zur Steuerbarkeit der Helikopter. Wie eine Taumelscheibe genau funktioniert beschreibe ich unter Rotorkopf Taumelscheibe .

Damit der Heli sich auch um die Hochachse drehen kann, benötigt er eine Verstellmöglichkeit des Heckrotors, der ja im Grunde zunächst dafür sorgt, dass der Helikopter sich nicht um die eigene Achse dreht. Verändern wir nun den Anstellwinkel der Heckrotorblätter, so bläst der Heckrotor stärker oder schwächer und sorgt dabei für eine Drehung des Helikopter-Hinterteils nach links oder rechts.


Einen Modellheli zu fliegen erfordert viel Übung


Wer noch nie einen Modellhelikopter gesteuert hat, der sollte sich zunächst mit den Steuerfunktionen befassen. Es ist, vom Aspekt des Steuerns betrachtet, einfacher einen echten Helikopter zu fliegen als einen Modellhelikopter. Das ist bedingt durch die Tatsache, dass sich in einem bemannten Helikopter sitzend, die relative Position des Piloten zum Helikopter und zur Flugrichtung nicht verändert. Einen Modellhelikopter hingegen, muss man aus ganz verschiedenen Ansichten steuern können. Ein Simulator oder ein Fluglehrer (Flug am Lehrer/Schüler Sender) ist schon fast unabdingbar, wenn man nicht unnötig viel Lehrgeld durch Abstürze bezahlen will.
Natürlich gibt es verschiedene Bauarten von Modellhelikoptern, die sich im Schwierigkeitgrad des Fliegens unterscheiden. Einen Koax - Helikopter kann man als Anfänger noch relativ gut beherrschen. Bei den Fixed Pitch- Helikoptern und den CP - Helikoptern hingegen, sieht es schon ganz anders aus. Diese unterscheiden sich im Schwierigkeitsgrad des Fliegens sehr von den eigenstabilen Koaxhelikoptern.
Als Anfänger startet und fliegt man zunächst ausschließlich mit dem Heck zum Piloten. Zunächst übt man nur das Starten, Schweben und Landen. Dazu macht man kurze "Abheber/ Hover" bis in maximal 1 m Höhe. Das Heck zeigt anfangs IMMER zum Piloten! Wenn diese "Hüpfer" sitzen, dann übt man eingehend den Schwebflug, immer mit dem Heck zum Piloten. Erst wenn der Schwebflug sitzt, wagt man sich an weitere Manöver heran. Mehr dazu gibts auch in meinem Ratgeber zum Fliegen lernen.

Um eine Vorstellung zu bekommen, wie schwer sich ein Helikopter steuern lässt, stellen wir uns vor, unser Heli würde mit dem Heck zu uns zeigend auf einem überdimensionalen, frei beweglichen Ball stehen. Sobald wir den Ball mit dem Heli obendrauf loslassen, wird der Ball mit dem Helikopter in die eine oder andere Richtung wegrollen und der Heli herunterfallen. Ein fliegender Heli verhält sich etwa vergleichbar in der Luft. Ohne ständige korrigierende Steuermaßnahmen würde der Helikopter binnen weniger Sekunden irgendwohin abdriften und abstürzen. Die Helikopterfliegerei erfordert allerhöchste Konzentration und ist daher auch für das Training unseres Gehirns bestens geeignet. Die Steuerbefehle müssen uns in Fleisch und Blut übergehen. Dazu ist viel Training notwendig. Im Training trainieren und verbessern wir unsere Reflexe. Wer viel übt, wird auch schneller Fortschritte machen. die Helikopterfliegerei erfordert gute, schnelle Reflexe, denn Zeit zum Überlegen bleibt beim Fliegen eines Modellhelikopters fast keine.

Versuche niemals aus falschem Ehrgeiz und Übermut, zu große Schritte zu machen. Kleine Steigerungen bergen auch kleinere Risiken und viele kleine Schritte führen eher zum Ziel, Du wirst sehen.