Aerodynamik
...wie kann ein RC-Helikopter fliegen?

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Aerodynamik Grundlagen

Flugzeuge und Helikopter besitzen eine relative Masse und sind "schwerer" als Luft. Die Schwerkraft/ Erdanziehungskraft verhindert, dass alle Dinge die eine Masse besitzen, einfach umherschweben. In der Schwerelosigkeit des Weltraumes gelten andere Gesetzmäßigkeiten, aber auf der Erde würde alles runterfallen, wenn nicht Kräfte der Schwerkraft entgegen wirken. Damit Flugzeuge/ Helis überhaupt vom Boden abheben, bzw. fliegen können, muss eine Kraft entgegen der Schwerkraft/ Erdanziehung wirken, die gleich oder größer ist als die Erdanziehungskraft auf das Flugzeug bzw. den Helikopte. Diese Kraft nennt man Auftrieb und sie wird beim Flugzeug durch die Anströmung der Tragflächen mit Luft erzeugt. Weil Luft im Spiel ist, heißt es auch Aerodynamik. Beim Heli sind die Rotorblätter die Tragflächen. Auch sie werden bei Drehung des Rotors mit Luft angeströmt.

Um die Tragflächen mit Luft anzuströmen, muss ein Flugzeug sich ständig vorwärts bewegen, damit die Luft die Tragflächen umströmt und dadurch aerodynamisch Auftrieb erzeugt. Ein Helikopter hat Rotorblätter, die aerodynamisch gesehen genau wie die Tragflächen beim Flugzeug funktionieren. Die Rotation der Rotorblätter erzeugt den gleichen Effekt, wie die Vorwärtsbewegung eines Flugzeuges. Im Gegensatz zum Flugzeug mit Tragflächen, muss sich jedoch nicht der gesamte Helikopter bewegen um Auftrieb zu erzeugen, sondern nur die Rotorblätter. Auf diese Weise ist es mit einem RC-Helikopter möglich, auf der Stelle zu schweben und seitlich und sogar rückwärts zu fliegen. Das geht beim gemeinen Flugzeug nicht.

Ist die Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft des Helikopters, dann steigt der RC-Helikopter - ist die Auftriebskraft kleiner, dann sinkt der Helikopter. Sind Auftriebskraft und die Gewichtskraft gleich groß, dann schwebt der Helikopter in gleichbleibender Höhe, denn beide Kräfte heben sich dann gegenseitig auf.

Auftrieb Kraft Helikopter Hubschrauber

Rotorblatt- Profile, vollsymmetrisch/ asymmetrisch

Die Tragflächen/ Rotorblätter haben eine bestimmte Querschnittsform, das sogenannte Profil. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Profilarten. Bei RC-Helikoptern unterscheidet man zwischen vollsymmetrischen und nicht symmetrischen bzw. asymmetrischen Profilen. Oft wird auch der Begriff "halbsymmetrisch" oder "S-Schlag" für asymmetrische Blattprofile verwendet. Beim asymmetrischen Blattprofil ist die Profilwölbung auf der Oberseite größer - so wie bei der Tragfläche eines Flugzeuges. Bei vollsymmetrischen Profilen dagegen sind Blattober-und Blattunterseite identisch. Man spricht auch von 3D- Rotorblättern. Für den 3D- Flug werden in der Regel immer vollsymmetrische Rotorblätter eingesetzt. Diese bedürfen eines größeren Anstellwinkels als nicht symmetrische Blätter, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Ein asymmetrisches Blattprofil bietet gegenüber dem vollsymmetrischen Blattprofil einige aerodynamische Vorteile, unterliegt jedoch logischerweise Einschränkungen beim Helikopter- 3D- Flug (gemeint ist hauptsächlich stabiler Rückenflug). Asymmetrische Blattprofile sind erste Wahl für Scale- Modelle und Hubschraubermodelle, mit denen lediglich in Normalfluglage geflogen wird.

Bewegt sich eine Tragfläche bzw. das Rotorblatt vorwärts, teilt das Profil den Luftstrom in einen unteren und einen oberen Teil.


Asymmetrisches Blattprofil

Da die Luft durch die Wölbung um das Profil verdrängt wird, muss sie einen "weiteren Weg" zurücklegen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht um den entstehenden Druck auszugleichen. Auch wenn das asymmetrische Blatt nicht angewinkelt ist, also der Pitchwinkel 0° beträgt, wird hier schon ein Auftrieb erzeugt.

Im Bild ist ein asymmetrisches Profil zu sehen, bei dem mit 0° Anstellwinkel (Pitch) schon Auftrieb erzeugt wird. Grund dafür ist die größere Profilwölbung auf der Oberseite, welche auf der Oberseite eine größere Strömungsgeschwindigkeit und somit einen Unterdruck erzeugt.

RC- Helikopter Auftrieb Rotorblatt asymmetrisch

Vollsymmetrisches Blattprofil

Beim vollsymmetrischen Profil sind Ober- und Unterseite gleich profiliert. Bei Flugzeugen findet man in der Regel keine vollsymmetrischen Tragflächen. Beim Modellhelikopter werden vollsymmetrische Blätter eigesetzt um ohne Einschränkungen auch in Rückenlage fliegen zu können. Man spricht auch von 3D- Blättern, da ein vollsymmetrisches Blatt für viele Kunstflugfiguren, wie z. Bsp. den Tic-Toc unerläßlich ist.

Hier siehst Du ein vollsymmetrisches Blatt. Die Profilwölbung ist oben und unten gleich. Ist das Blatt nicht angewinkelt, also der Pitchwinkel 0°, dann sind die Druckverhältnisse unter und über dem Blatt gleich groß. Es wird kein Auftrieb erzeugt.

RC- Helikopter Pitch neutral symmetrisch

Luftdichte - Abhängigkeit von der Flughöhe

Ein Helikopter braucht Luftwiderstand, gegen den er arbeiten kann. Ohne Luftwiderstand geht gar nichts. In einem Vakuum, also einem luftleeren Raum könnte ein Helikopter gar nicht fliegen. Ein Helikopter kann auch nur bis zu einer bestimmten Höhe fliegen. Mit zunehmender Höhe nimmt die Luftdichte ab. Die Luft wird sozusagen "dünner". Das hat zur Folge, dass der Luftwiderstand sinkt. Außerdem haben große Helikopter Verbrenner- Antriebe, die Sauerstoff zum Verbrennen des Kraftstoffes benötigen. In zunehmender Höhe nimmt die Sauerstoffkonzentration ab. Normale Helikopter können nur etwa 5.000m hoch fliegen. Erst mit speziellen Rotorblatt- und Antriebs- Konstruktionen sind größere Höhen möglich. Der Höhen- Weltrekord geflogen mit einem Helikopter (Eurocopter) liegt bei fast 13.000m. Es ist bisher auch erst einmal gelungen auf dem Mount Everest zu landen, ebenfalls mit einem Eurocopter (2005).

Das Rotorblatt eines Modell- Helikopters erreicht sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten und muss enormen Belastungen standhalten. Wie hoch diese Belastungen sein können, kannst Du hier mit dem Rotorblatt Umfangsgeschwindigkeit, Kreisflächenbelastung berechnen ermitteln.

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Nach dem Gesetz der Strömungslehre führt die Geschwindigkeitszunahme zu einer Abnahme des Drucks. Auf der Oberseite des Rotorblattes entsteht so ein Unterdruck. Da die obere und untere Seite des Profils im Vergleich zur Bewegungsrichtung des Rotorblattes unterschiedliche Wölbungen aufweisen, wird auch ein unterschiedlicher Druck/Unterdruck erzeugt.
In diesem Falle wirkt die Kraftresultierende nach oben (Auftrieb), da an der Profilunterseite ein höherer Durchschnittsdruck herrscht als an der Oberseite (geringer Linienabstand = höherer Druck). Die Luft strömt nach dem Blatt nach unten.


Wie wird der Auftrieb am Helikopter kontrolliert

Beim Flugzeug muss man Schub (Energie) geben, damit sich das Flugzeug und mit ihm die Tragflächen im Luftstrom vorwärts bewegen und somit Auftrieb erzeugen. Beim Helikopter rotieren die Rotorblätter und erzeugen so auf die gleiche Weise Auftrieb, wie die Tragflächen beim Flugzeug.
Um den Auftrieb zu steuern, bedient man sich beim Flugzeug des Höhenruders, welches den Anstellwinkel der Tragfläche verändert (Nick). Beim Helikopter wird zur Auftriebssteuerung der Anstellwinkel des gesamten Rotorblattes verändert.
Die Fluggeschwindigkeit des Flugzeuges entspricht der Rotordrehzahl des Helikopters. Der Auftrieb am Flugzeug steht in Abhängigkeit zur Fluggeschwindigkeit und des Anstellwinkels der Tragfläche. Der Auftrieb beim Helikopter steht in direktem Zusammenhang mit der Rotordrehzahl und dem Anstellwinkel der Rotorblätter. Beim Flugzeug wird der Vorschub, der unbedingt zur Auftriebserzeugung benötigt wird, durch Triebwerke und Propeller erzeugt. Beim Helikopter hat der Hauptrotor eine Doppelfunktion, nämlich Tragfläche und Propeller gleichzeitig zu sein.

Im Bild ist ein asymmetrisches Profil zu sehen. Der Anstellwinkel beträgt etwa 5°. Deutlich an den Strömungslinien zu erkennen ist die Abwärtsbewegung der Luft nach dem Rotorblatt.

RC- Helikopter zykl Pitch asymmetrisch

Im Bild ist ein vollsymmetrisches Profil zu sehen. Der Anstellwinkel beträgt etwa 5°. Deutlich an den Strömungslinien zu erkennen ist die Abwärtsbewegung der Luft nach dem Rotorblatt.

RC- Helikopter zykl Pitch symmetrisch

Ein größerer Anstellwinkel bewirkt eine Erhöhung des Unterdrucks auf der Oberseite, da die Luft einen noch weiteren Weg zurücklegen muss und dadurch stärker beschleunigt wird. Umso mehr das Blatt angestellt wird, umso größer ist der Auftrieb.
Umso größer der Anstellwinkel des Blattes ist - umso großer ist aber auch der Luftwiderstand der auf das Blatt wirkt. In der Praxis sinkt dabei durch steigenden Luftwiderstand entweder die Rotordrehzahl ab, oder der Flugregler gibt mehr Power auf den Motor und hält so die Rotordrehzahl konstant. Der Energieverbrauch steigt also.


Luftwiderstand und Luftströmung

Grundsätzlich gilt, dass der Auftrieb größer wird, je schneller sich der Rotor dreht, bzw. je schneller das Flugzeug fliegt. Gleichzeitig wird aber auch der Luftwiderstand erhöht. Das Profil "arbeitet" immer gegen den Luftwiderstand um Auftrieb zu erzeugen. Die Energie für den Auftrieb wird immer aus dem Antrieb des Flugzeuges bezogen.
Der Anstellwinkel kann aber nicht beliebig erhöht werden um mehr Auftrieb zu erzeugen, da die Luftströmung auf der Oberseite abreißen kann. Das heißt, die Strömung fließt nicht mehr entlang dem Profil, sondern bildet Wirbel. Dabei wird Antriebenergie sozusagen für die Wirbelbildung "verschwendet". Auftrieb geht verloren. Der Rotor wird durch den erhöhten Luftwiderstand abgebremst.

Im Bild ist ein asymmetrisches Profil zu sehen, welches einen zu hohen Anstellwinkel hat. Deutlich sind die Luftwirbel zu erkennen, die zunächst nur an der Austrittskante (Blatt hinten) entstehen, sich dann aber immer weiter bis zur Blattvorderkante ausbreiten.

RC- Helikopter Anstellwinkel Pitch zu groß

Stall (Strömungsabriss)

Wird der Anstellwinkel zu weit erhöht, bilden sich immer mehr Wirbel in Richtung der Eintrittskante (Blatt vorne), bis der Auftrieb nicht mehr ausreicht um das Flugzeug in der Luft zu halten. Dieser Zustand des Strömungsabrisses wird als Stall (engl.) bezeichnet und tritt meistens dann auf, wenn das Flugzeug zu langsam fliegt. Beim RC-Helikopter sollte man den maximalen Blattanstellwinkel (Pitch) nicht größer als 15° einstellen, um solche negativen Strömungsverhältnisse, die das Blatt stark bremsen, aber keinen weiteren Auftrieb generieren, zu vermeiden.


Einstellwinkel und effektiver Anstellwinkel

Anstellwinkel, Einstellwinkel Helikopter

Ein schwebender Helikopter erzeugt durch den sich drehenden Rotor eine Luftströmung nach unten. Man könnte es auch so beschreiben, dass der Helikopter in diesem abwärtsgerichteten Luftstrom eine relative Bewegung nach oben (dem Luftstrom entgegen) vollzieht, obwohl er seine Höhe relativ zum Boden beibehält. Das Rotorblatt vollzieht eine horizontale Bewegung während gleichzeitig die Luft nach unten strömt. Das hat Einfluss auf die Anströmungen an den Rotorblättern und somit auf den "effektiven Anstellwinkel" der Blätter.

Das Bild zeigt die nach unten gerichtete Luftströmung.


Anstellwinkel, Einstellwinkel Helikopter

Beispiel: Wir fliegen einen 600er Helikopter mit 1850 U/min Rotordrehzahl. Die Strömungsgeschwindigkeit der nach unten strömenden Luft in der Blattmitte beträgt etwa 4 m/s (an der Blattspitze dementsprechend mehr). Unser Rotorblatt hat in der Mitte eine Umfangsgeschwindigkeit von etwa 200 km/h, was gerundeten 55 m/s entspricht. Nun kann man leicht ausrechnen, dass der effektive Anstellwinkel des Rotorblattes unter diesen Bedingungen 4,2° geringer ist als der Einstellwinkel! Haben wir unseren Pitchknüppel also so stehen, dass das Blatt mit 6° positiv Kollektivpitch angewinkelt ist, dann ist der effektive Anstellwinkel jedoch nur 1,8°!

Das Bild veranschaulicht die Verhältnisse am Rotorblatt.

Anstellwinkel, Einstellwinkel Helikopter

Wenn wir nun unseren Helikopter mit 50km/h vorwärts fliegen würden, dann hat unser Rotorblatt aus dem Beispiel, wenn es gerade nach vorn läuft, 250 km/h (etwa 70 m/s) Geschwindigkeit relativ zur vorbeiströmenden Luft - nämlich 200 km/h durch die Drehzahl plus 50km/h durch die Vorwärtsbewegung. Wenn es jedoch auf der anderen Seite wieder nach hinten läuft, dann hat es nur noch 150 km/h (etwa 42 m/s) Geschwindigkeit, nämlich 200 km/h durch die Drehzahl minus 50 km/h, da es sich entgegen der Flugrichtung bewegt.

Wenn wir mit diesen Zahlen rechnen, dann beträgt der effektive Anstellwinkel auf der Vorlaufseite etwa 2,7° und auf der Rücklaufseite nur etwa 0,5°! Daraus kann man nun folgenden Sachverhalt ableiten und erklären: Die Auftriebskraft des Blattes (nur des Blattes, nicht des Helis!) ist auf der Vorlaufseite viel höher als auf der Rücklaufseite. Das hat zur Folge, dass das Blatt auf der Vorlaufseite, wenn es sich nach vorn bewegt, viel stärker nach oben beschleunigt wird als auf der anderen Seite, wenn es sich wieder nach hinten bewegt. Dadurch erfährt der Helikopter eine Kraft, die die Nase des Helis bei schneller Vorwärtsfahrt nach oben drückt. Diesen Effekt nennt man Aufbäum- Effekt.

Das Bild veranschaulicht die Verhältnisse.


Vortex, Wirbelringstadium

Vortex Wirbelringstadium

Der Vortex ist ein Phänomen, welches überwiegend bei sehr großen Helikoptern beobachtet wird. So zum Beispiel bei bemannten Helis oder bei großen Scalemodellen, die nicht mit einem enormen Leistungsüberschuss aufwarten können, wie zum Beispiel moderne RC 3D Helikopter. Sinkt ein Helikopter auf einer senkrechten oder fast senkrechten Bahn, so sinkt er in seinem eigenen Rotorabwind. Dies kann einen sogenannten Vortex hervorrufen, bei dem die von den Rotorblättern nach unten beförderte und seitlich wegströmende Luft auf der Oberseite der Rotorblätter wieder angesaugt wird. Dabei entsteht ein Wirbelring um den gesamten Rotor herum (Wirbelringstadium), in dem die Luft noch weiter beschleunigt wird und so die für den Auftrieb benötigte Luftanströmung an den Rotorblättern drastisch sinkt - der Helikopter sinkt - immer schneller! Sollte dies bei einem großen Scalemodell passieren, so muss man den Heli sofort aus diesem Vortex herausfliegen. Tut man dies nicht, kann der Heli trotz Vollpitch unkontrolliert bis zum Boden durchsinken und dann sehr hart aufsetzen.

Ein Vortex kann vermieden werden, indem man vermeidet, im eigenen Abwind zu sinken. Aus einem Vortex befreit man den Helikopter indem man beherzt Vorwärtsflug (auch rückwärts oder seitwärts) einleitet und den Helikopter so aus dem eigenen Rotorabwind wieder herausfliegt.


Drehmomente am Helikopter

Ein Motor treibt den Hauptrotor mit hoher Kraft gegen den Widerstand der Luft an. Das führt aber dazu, dass sich der Rest des Helikopters entgegengesetzt drehen will (Drehmoment). Hier wird technisch Abhilfe geschaffen. Verschiedene Helikopter- Bauarten verfolgen hier unterschiedliche Denkansätze um diesem Drehmoment entgegenzuwirken. Bei den im Modellsport gebräuchlichen Helis und den meisten großen Helikoptern bläst ein Heckrotor Luft in entgegengesetzter Richtung zur Drehbewegung des Hauptrotors und erzeugt damit eine Kraft, die der Drehbewegung (Drehmoment) entgegenwirkt. Fällt der Heckrotor aus, würde der RC-Helikopter sich wie ein Karussell drehen.

Im Bild ist der Zusammenhang zwischen der Rotordrehrichtung und der Wirkrichtung des Heckrotors verdeutlicht.

RC- Helikopter Rotor rechts links drehend

Seitwärts- Drift bedingt durch den Heckrotor

Da der Heckrotor Luft in eine Richtung bläst, erzeugt er einen horizontalen Schub wie ein Triebwerk. Dieser Schub lässt den RC-Helikopter seitlich abdriften. Die Richtung in der der Helikopter abdriftet ist natürlich abhängig von der Wirkrichtung des Heckrotors und diese wiederum von der Drehrichtung des Hauptrotors. Bei einem rechtsdrehenden Hauptrotor schiebt der Helikopter nach links, da der Heckrotor nach rechts bläst - den Helikopter immer von hinten betrachtet.

Driftausgleich durch Schräglage des Helikopters

Dieses seitliche "Abdriften" muss wiederum mit dem Hauptrotor korrigiert werden. Bei einem rechtsdrehenden Hauptrotor legt man den Helikopter mit etwas "Roll" nach rechts. So schwebt der Helikopter auf der Stelle ohne seitlich wegzuschieben. Normalerweise ist die Neigung so gering, dass man nicht viel davon mitbekommt, aber man kann sie sehen, wenn man genau hinschaut. Haupt- und Heckrotor liegen bei den meisten Hubschraubern zudem nicht in der gleichen horizontalen Ebene. Auch dies hat Einfluss auf die Schräglage. Die ideale Heckrotorposition wäre exakt in der Hauptrotorebene.

Die Grafik verdeutlicht, dass die Schubkräfte des Heckrotors durch etwas "Roll" in die entgegengesetzte Richtung ausgeglichen werden müssen.

Helikopter Rotor rechts links drehend, Helikopter Schräglage

Bodeneffekt- IGE (In Ground Effect)

Schwebt ein Helikopter in Bodennähe, nennt man das Hover IGE. Dieser Bodeneffekt bzw. IGE entsteht durch die starke Luftströmung nach unten (Downwash). In etwas Höhe, also außerhalb des Bodeneffektes (Hover Out of Ground Effect) kann die Luft ungehindert nach unten strömen. In Bodennähe entsteht allerdings ein "Luftkissen". Der Luftstrom muss seitlich "abfließen". Ist die Landefläche geneigt, hat das auch wieder Einfluss auf den Bodeneffekt, da die Luft verstärkt in eine Richtung wegströmt. Im Bodeneffekt ist ein Helikopter schwerer kontrollierbar, da er anders reagiert als in der Luft. Ab einer Flughöhe die etwa dem zweifachen des Rotorkreisdurchmessers entspricht, hört der Bodeneffekt auf.

Die Grafik verdeutlicht die Luftströmungen innerhalb des Bodeneffektes (IGE). Der Helikopter ist IGE schwerer zu kontrollieren.

RC- Helikopter Rotor IGE Bodeneffekt

Deckeneffekt

Ähnlich dem Bodeneffekt, wo das Abfließen des Luftstromes unter dem Hubschrauber erschwert ist, gibt es auch einen "Deckeneffekt", wenn der Hubschrauber unter einer großräumig geschlossenen Decke fliegt. Dieser Deckeneffekt kann z.B. beim Fliegen dicht unter Hallendecken auftreten. Hier wird der Zustrom von Luft von oben erschwert. Über dem Rotor entsteht plötzlich ein größerer Unterdruck als in ungestörter Umgebung, was den Helikopter unverhofft steigen lässt. Ohne Gegenreaktion würde der Helikopter an die Hallendecke fliegen. Der Deckeneffekt beginnt ähnlich dem Bodeneffekt in ca.1 Rotordurchmesser Abstand zur Decke. Es ist also empfehlenswert, in sicherer Entfernung von der Hallendecke zu fliegen.


Blattverstellung (Pitch) - Anstellwinkel der Rotorblätter

Der Anstellwinkel der Hauptrotorblätter des Helikopters kann während des Fluges verändert werden. Durch einen größeren Anstellwinkel wird mehr Auftrieb erzeugt. Diese Verstellung des Anstellwinkels nennt man Kollektivpitch oder Kollektive Blattverstellung. Der Begriff "Kollektivpitch" rührt daher, da die Anstellwinkel (Pitch) aller Blätter gleichzeitig und gleichmäßig im Kollektiv verstellt werden.

Im Bild verdeutlicht: Pitchwinkel (Blattanstellwinkel) positiv, neutral, negativ.

RC- Helikopter Rotor IGE Bodeneffekt

Durch Verstellung des kollektiven Pitchwinkels kann man einen Helikopter schon abheben, steigen und wieder absinken lassen. Man möchte den Helikopter aber auch in verschiedene Richtungen steuern können. Dazu bedient man sich der sogenannten zyklischen Blattverstellung. Der Begriff "Zyklisch" kommt von Zyklus und beschreibt eine Rotorumdrehung (360°). Während einer Rotorumdrehung können die Rotorblätter unterschiedliche Winkel einnehmen. Das hört sich kompliziert an, ist jedoch eigentlich ganz simpel. Ein Rotorblatt kann also durchaus seinen Anstellwinkel während einer einzigen Rotor- Umdrehung vom positiven in einen negativen Bereich verändern und wieder zurück in den positiven Bereich. Das Ganze wird mit Hilfe einer sogenannten Taumelscheibe möglich.
Die Taumelscheibe an der Hauptrotorwelle überträgt alle Steuerbewegungen auf den Rotorkopf. Dabei kann die Taumelscheibe 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 hier.
Damit der Helikopter sich auch drehen kann, benötigt er die Verstellmöglichkeit des Heckrotors, der ja im Grunde 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.