Grundlagen der Aerodynamik am RC Heli

Flugzeuge und Helikopter besitzen wie alle Körper eine relative Masse und sind im Wirkungsbereich der Erdanziehungskraft folglich "schwerer" als Luft. Auf der Erde fällt alles herunter auf den Boden, wenn nicht andere Kräfte der Schwerkraft entgegen wirken. Damit Luftfahrzeuge, wie Helikopter fliegen können, muss eine andere Kraft der Schwerkraft entgegen wirken. Man nennt diese Kraft "Auftrieb". Der Auftrieb wird beim Flugzeug durch die Anströmung der Tragflächen mit Luft erzeugt. Weil Luft (aero) im Spiel ist, heißt es auch Aerodynamik.

Helikopter Aerodynamik-Grundlagen

Beim Helikopter sind die rotierenden Rotorblätter Tragfläche und Propeller zugleich. Auch sie werden mit Luft angeströmt und erzeugen Auftrieb.

Um die Tragflächen eines Flugzeuges mit Luft anzuströmen, muss es sich ständig vorwärts bewegen. Ein Helikopter hat Rotorblätter, die durch Rotation um die Rotorachse den gleichen Effekt erzeugen, wie die Vorwärtsbewegung eines Flugzeuges in der Luft. Im Gegensatz zum Flugzeug mit seinen Tragflächen, muss sich jedoch nicht der gesamte Helikopter bewegen, sondern lediglich seine Rotorblätter.

Mit einem Helikopter ist es dadurch auch möglich, auf der Stelle zu schweben und in verschiedene Richtungen zu fliegen.

Wenn die Auftriebskraft und die Gewichtskraft eines Helikopters gleich groß sind, dann schwebt der Helikopter in gleichbleibender Höhe, denn beide Kräfte heben sich gegenseitig auf, da sie in entgegengesetzter Richtung wirken.

Ist die Auftriebskraft größer als die Gewichtskraft eines Helikopters, dann steigt der Helikopter nach oben. Ist die Auftriebskraft kleiner als die Gewichtskraft, dann sinkt der Helikopter.

Auftrieb Kraft Helikopter Hubschrauber

Rotorblatt-Profiltypen, voll-symmetrisch/ asymmetrisch

Sowohl die Tragflächen eines Flugzeuges, als auch die Rotorblätter am Helikopter haben eine Querschnittsform, die bei Anströmung mit Luft einen Auftrieb erzeugt. Diese Querschnittsform wird auch als "Profil" bezeichnet.

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Profilarten, die in ihrer Grundform jedoch alle so konstruiert sind, dass Auftrieb erzeugt wird. Bei RC-Helikoptern unterscheidet man zwischen voll-symmetrischen und nicht symmetrischen oder asymmetrischen Profilen. Oft wird in diesem Zusammenhang der Begriff "halb-symmetrisch" oder "S-Schlag" für asymmetrische Blattprofile verwendet.

Beim asymmetrischen Profil ist die Profilwölbung auf der Oberseite größer - genau wie bei der Tragfläche eines Flugzeuges.

Bei voll-symmetrischen Profilen sind Ober- und Unterseite des Blattes identisch geformt. Man spricht hier auch von 3D-Rotorblättern. Für den 3D-Flug werden in der Regel immer symmetrische Rotorblätter eingesetzt. Diese bedürfen eines größeren Anstellwinkels als asymmetrische Blätter, um den gleichen Auftrieb zu erzeugen. Ein asymmetrisches Blattprofil bietet gegenüber dem voll-symmetrischen Blattprofil einige aerodynamische Vorteile, unterliegt jedoch logischerweise Einschränkungen beim RC-Helikopter 3D-Flug. Asymmetrische Blattprofile sind deshalb erste Wahl für alle Hubschrauber-Modelle, mit denen lediglich in Normalfluglage geflogen wird.

Siehe auch RC-Heli Steuerfunktionen

Asymmetrisches Blattprofil

Da die Luft durch die größere Oberflächen-Wölbung auf der Oberseite des Profils einen "weiteren Weg" zurücklegen muss als auf der Unterseite, erhöht sich oben die Strömungsgeschwindigkeit um den entstehenden Druck auszugleichen. Allein durch die größere Oberflächenwölbung auf der Oberseite wird bereits Auftrieb erzeugt, selbst wenn das asymmetrische Blatt nicht angewinkelt ist, also der Pitchwinkel 0° beträgt.

RC-Helikopter Auftrieb Rotorblatt asymmetrisch

Im Bild: Asymmetrisches Blattprofil mit 0° Anstellwinkel (Pitch), bei dem schon Auftrieb erzeugt wird.

Symmetrisches Blattprofil

Beim symmetrischen Profil sind Ober- und Unterseite des Profils gleich. Bei Flugzeugen findet man keine voll-symmetrischen Profile an den Tragflächen. Beim Modellhelikopter hingehen werden symmetrische Blätter eingesetzt um ohne Einschränkungen auch in Rückenlage fliegen zu können. Man spricht dabei auch von 3D-Blättern, da ein symmetrisches Blatt für 3D-Kunstflug notwendig ist.

RC-Helikopter Pitch neutral symmetrisch

Im Bild: Symmetrisches Blattprofil. 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.

Luftdichte in Abhängigkeit von der Flughöhe

Ein Helikopter braucht einen Luftwiderstand, gegen den die Rotorblätter arbeiten um Auftrieb zu erzeugen. In einem Vakuum, also einem luftleeren Raum könnte ein Helikopter keinen Auftrieb erzeugen können und somit nicht fliegen!

Aus selbigem Grund ist die Flughöhe aller Fluggeräte, welche Auftrieb mit Tragflächen erzeugen, in der Höhe begrenzt. Mit zunehmender Höhe nimmt die Luftdichte ab (die Luft wird "dünner"). Das hat zur Folge, dass der Luftwiderstand mit zunehmender Flughöhe sinkt. Außerdem haben große Helikopter Verbrenner-Motoren, bzw. Turbinen, die Sauerstoff zum Verbrennen des Kraftstoffes benötigen. In zunehmender Höhe nimmt die Sauerstoffkonzentration ab. Normale Helikopter können daher 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 RC-Helikopters erreicht sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten und muss dabei enormen Belastungen trotzen. Wie hoch diese Belastungen sein können, kannst du hier mit dem Umfangsgeschwindigkeit ermitteln.

Nach dem physikalischen Gesetz der Strömungslehre führt eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit eines Mediums zu einer Abnahme des Drucks im Medium. Das Medium im betrachteten Falle ist die Luft. Auf der Oberseite des Rotorblattes entsteht ein Unterdruck, weil die Strömungsgeschwindigkeit dort höher sein muss, als auf der Unterseite.
Dabei wirkt die Kraft-resultierende nach oben (Auftrieb), da an der Profilunterseite ein höherer durchschnittsdruck herrscht als an der Oberseite (geringer Linienabstand = höherer Druck). Die Luft strömt hinter dem Blatt nach unten!

Wie wird der Auftrieb am Helikopter kontrolliert

Beim Flugzeug muss man stets Schub geben um das Flugzeug in Vorwärtsbewegung zu halten, damit die Tragflächen im Luftstrom Auftrieb erzeugen können.

Beim Helikopter rotieren die Rotorblätter, die ebenfalls in Bewegung gehalten werden müssen um Auftrieb zu erzeugen -wie die Tragflächen beim Flugzeug.
Um den Auftrieb zu steuern, bedient man sich beim Flugzeug des Höhenruders, welches den Anstellwinkel der Tragfläche (ganzes Flugzeug) im Luftstrom verändert. Beim Helikopter wird zur Auftriebssteuerung der Anstellwinkel der Rotorblätter dementsprechend verändert.
Der Auftrieb am Flugzeug steht in Abhängigkeit zur Fluggeschwindigkeit und des Anstellwinkels der Tragfläche im Luftstrom. 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 voll-symmetrisches Profil zu sehen. Der Anstellwinkel beträgt etwa 5°. Deutlich an den Strömungslinien zu erkennen ist die Abwärtsbewegung der Luft hinter dem Rotorblatt.

RC-Helikopter zykl Pitch symmetrisch

Eine Erhöhung des Anstellwinkels des Profils im Luftstrom hat eine Erhöhung des Unterdrucks auf der Oberseite zur Folge, da die Luft einen weiteren Weg zurücklegen muss und dadurch stärker beschleunigt wird. Je mehr das Blatt angestellt wird, umso größer ist der Auftrieb.
Je größer der Anstellwinkel des Blattes ist, umso größer 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 Antriebsenergie 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

Luftströmung

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 Anströmung an den Rotorblättern und somit auf den "effektiven Anstellwinkel" der Blätter.

Das Bild zeigt die nach unten gerichtete Luftströmung.

Effektiver Anstellwinkel

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 etwa 55 m/s entspricht. Nun kann man ausrechnen, dass der effektive Anstellwinkel des Rotorblattes unter diesen Bedingungen 4,2° geringer ist als der Einstellwinkel! Haben wir einen Einstellwinkel (Pitchwinkel) der Blätter von 6°, dann ist der effektive Anstellwinkel jedoch nur 1,8°!

Das Bild veranschaulicht die Verhältnisse am Rotorblatt.

Anstellwinkel, Einstellwinkel Helikopter

Wir schauen uns das Bild an. Wenn wir unseren Helikopter mit 50km/h vorwärts fliegen, dann hat unser Rotorblatt auf der Vorlaufseite eine Geschwindigkeit von 250 km/h (etwa 70 m/s); 200 km/h bedingt durch die Rotordrehzahl plus 50km/h durch die Vorwärtsbewegung. Wohlgemerkt in der Blattmitte!

Wenn es auf der anderen Seite wieder nach hinten läuft (Rücklaufseite), dann hat es nur noch 150 km/h (etwa 42 m/s) Geschwindigkeit, nämlich 200 km/h minus 50 km/h, da es sich entgegen der Flugrichtung bewegt.

Mit diesen Zahlen gerechnet, beträgt der effektive Anstellwinkel auf der Vorlaufseite etwa 2,7° und auf der Rücklaufseite nur etwa 0,5°!
Die Auftriebskraft des Rotorblattes (nur des Blattes, nicht des Helis!) ist auf der Vorlaufseite höher als auf der Rücklaufseite.

Wenn wir nun die Geschwindigkeit des Helis auf 200km/h steigern, dann haben wir auf der Vorlaufseite eine Blattmittengeschwindigkeit von 400km/h (200km/h drehzahl-bedingt plus 200km/h Vorwärtsgeschwindigkeit).

Auf der Rücklaufseite hingegen 0 NULL! (200km/h drehzahl-bedingt minus 200km/h Vorwärtsgeschwindigkeit).

Diese mit zunehmender Flug-Geschwindigkeit wachsenden Unterschiede in der Anströmung und den effektiven Anstellwinkeln in Kombination mit der Neigung des Helikopters relativ zur Bewegungsebene haben zur Folge, dass unter anderem die Nase des Helis bei zunehmender Vorwärtsfahrt immer mehr nach oben gedrückt wird. Diesen Effekt, welcher die maximale Fluggeschwindigkeit begrenzt,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 Scale-Modellen, 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 weg-strömende 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 Luft-Anströmung an den Rotorblättern drastisch sinkt - der Helikopter sinkt - immer schneller!
Sollte dies bei einem großen Scale-Modell passieren, so muss man den Heli sofort aus diesem Vortex heraus-fliegen. Tut man dies nicht, kann der Heli trotz Vollpitch unkontrolliert bis zum Boden durch-sinken und dann sehr hart aufsetzen.

Einem Vortex kann man vorbeugen, 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 heraus-fliegt.

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.

Seitwärts-Drift bedingt durch den Heckrotor

RC-Helikopter Rotor rechts links drehend

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

Helikopter Rotor rechts links drehend, Helikopter Schräglage
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 Heckrotor-Position wäre exakt in der Hauptrotorebene.

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

Bodeneffekt - IGE (In-Ground-Effect)

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

RC-Helikopter Rotor IGE Bodeneffekt

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.

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.

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