Wieso kann ein Helikopter fliegen?
Physikalische Gesetzmäßigkeiten der Aerodynamik am Hubschrauber
Um fliegen zu können, muss eine Kraft erzeugt werden, die der Schwerkraft entgegenwirkt. Diese Kraft nennt man Auftrieb. 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.
Auftrieb am Hubschrauber und am Flächenflugzeug
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.
Luftwiderstand am Hubschrauber
Flächenflugzeuge und Helikopter brauchen den Luftwiderstand um Auftrieb zu erzeugen. Ohne den Luftwiderstand kann weder ein Fächenflugzeug noch ein Hubschrauer fliegen. In einem Vakuum, also in einem luftleeren Raum herrsch auch kein Luftwiderstand. Ein Flugzeug oder ein Hubschrauber könnte in einem Vakuum keinen Auftrieb erzeugen und somit auch nicht fliegen.
Begrenzte Flughöhe
Wer schon einmal auf einem hohen Berg war, der kann sicher bestätigen, dass die Luft mit zunehmender Höhe immer dünner wird, denn mit zunehmender Höhe nimmt die Luftdichte ab und der Luftwiderstand sinkt dadurch. Ein Helikopter kann aus diesem Grunde nur bis zu einer bestimmten maximalen Höhe fliegen, das Gleiche gilt natürlich auch für Flächenflugzeuge. Die geringe Luftdichte hat natürlich auch aerodynamische Vorteile. In großer Höhe ist der Luftwiderstand sehr gering. Das nutzen Verkehrsflugzeuge aus, um in diesen Höhen spritsparend zu fliegen. Denn ein geringer Luftwiderstand bedeutet weniger Reibungsverluste. Ganz ohe Luft kann aber auch ein Flugzeug nicht fliegen.
Hubschrauber mit Verbrennerantrieb benötigen Sauerstoff zum Verbrennen des Kraftstoffes. Mit zunehmender Höhe nimmt die Sauerstoffkonzentration ab. Eine saubere und sichere Verbrennung des Treibstoffes ist nur mit ausreichend Sauerstoff möglich. Aus diesem Grunde sind nur mit speziellen Rotorblatt- und Antriebs-Konstruktionen ausgestattete Hubschrauner in der Lage in größeren Höhen zu fliegen.
Der Höhen-Weltrekord geflogen mit einem Hubschrauber (Eurocopter) liegt bei fast 13.000m. Es ist bisher auch erst ein einziges Mal gelungen, auf dem Mount Everest zu landen, ebenfalls mit einem Hubschrauber vom Typ Eurocopter (2005).
Strömungsgeschwindigkeit der Luft
Die Tragflächen müssen sich mit ausreichend hoher Geschwindigkeit gegen den Luftwiderstand vorwärtsbewegen um ausreichend Auftrieb zu erzeugen, denn der Auftrieb ist auch abhängig von der Anströmgeschwindigkeit der Tragflächen beim Flugzeug bzw. der Rotorblätter beim Helikopter. Beim Flächenflugzeug wird dazu ein Vorwärtsschub durch ein Strahltriebwerk oder Propeller erzeugt, beim Segelfugzeug wird dazu kinetische Energie des Segelflugzeuges augewendet, welches dabei stets an Höhe verliert, es sei denn er kann durch Thermik wieder aufsteigen.
Ein Hubschrauber hat kein solches Schubtriebwerk, welches das gesamte Fluggerät vorwärts bewegt! Beim Hubschrauber wird die Auftriebsenergie aus dem Antrieb des rotierenden Rotorkopfes bezogen, welcher die Rotorblätter als rotierende Tragflächen gegen den Luftwiderstand bewegt.
Eingehendere Info zum Thema gibt's hier unter Aerodynamik .
Hubschrauber Hauptrotor und das Drehmoment
Beim Hubschrauber wird der Rotor und somit die Rotorblätter gegen den Widerstand der Luft angetrieben. Dadurch entsteht ein Drehmoment, welches entgegengesetzt zur Rotordrehrichtung wirkt. Der Rumpf eines Hubschraubers würde sich durch dieses Drehmoment permanent entgegengesetzt zur Rotordrehrichtung drehen, wenn hier nicht technisch Abhilfe geschaffen würde.
Eine Möglichkeiten diesem Drehmoment am fliegenden Hubschrauber entgegenzuwirken, ist ein zweiter Hauptrotor auf derselben Achse. Dieser muss in entgegengesetzter Richtung rotieren. Die Drehmomente beider Hauptrotoren heben sich dabei gegenseitig auf. Hubschrauber mit zwei auf eine Achse gegenläufig drehenden Hauptrotoren nennt man auch Koaxialhubschrauber.
Es kann auch ein zweiter Rotor auf einer zweiten symmetrisch zur Längsachse des Heli angeordneten Drehachse in entgegengesetzter Richtung drehen. So funktioniert das bei einem Flettner-Helikopter, bei welchem zwei Rotoren in zwei sich überschneidenden Ebenen ineinanderkämmen. Als weitere Doppelrotor-Konstruktion mit zwei Rotoren ist der Chinook bekannt.
Mehr Informationen über Hubschrauber-Bauarten gibt es unter Rotorkopf Bauformen .
Die am häufigsten bei Hubschraubern anzutreffende Methode ist der Drehmomentausgleich mittels eines Heckrotors. Ein Heckrotor erzeugt einen seitwärts gerichteten Schub in entgegengesetzter Richtung zum Drehmoment des Hauptrotors und erzeugt somit eine Kraft, die das Drehmoment des Hauptrotors aufhebt.
Mehr Informationen über Kreisel bzw. Gyro gibt es hier unter Kreisel .
Anstellwinkel der Rotorblätter am Hubschrauber - die Blattverstellung (Pitch)
Bei fast allen bemannten Hubschraubern und den CP (Collective Pitch) Modellhelikoptern können die Anstellwinkel der Rotorblätter des Hauptrotors gleichzeitig in der selben Richtung (im Kollektiv) verstellt werden. Man nennt dies auch Kollektive Blattverstellung, oder Kollektiv-Pitch. Bei steilerem Anstellwinkel erzeugen die Rotorblätter einen größeren Auftrieb. durch Verstellung des kollektiven Pitchwinkels wird der Schub des Rotors von solchen Hubschraubern kontrolliert, ohne die Drehzahl des Rotorkopfes ändern zu müssen. Bei einem horizontal auf der Stelle schwebenden Hubschrauber wirkt die Rotorschubkraft senkrecht nach oben und gleicht die Schwerkraft des Hubschraubers aus. Neigt ein Hubschrauber beispielsweise seine Nase nach unten, so verändert sich die Richtung der Rotorschubkraft nach oben/ vorn. Der Hubschrauber wird sich nach vorn in Bewegung setzen (und Höhe verlieren! Aber dazu später).
Das Steuern/ Lenken eines Hubschraubers geschieht mit Hilfe einer sogenannten zyklischen Blattverstellung. Der Begriff "zyklisch" bedeutet, dass sich der Anstellwinkel der Rotorblätter während einer Umdrehung (Rotordrehung = Zyklus) des Rotors verändert. Dasselbe Rotorblatt eines Hubschraubers kann während einer Rotorumdrehung unterschiedliche Winkelstellungen einnehmen. Die zyklische Pitchverstellung wird ebenfalls mit Hilfe der Taumelscheibe realisiert. Ein Hubschrauber, bei dem der kollektive als auch der Pitchwinkel verstellt werden kann, wird auch CCPM Hubschrauber genannt.
Die Taumelscheibe ist ein zentrales Steuerelement am Hubschrauber. Sie befindet sich auf der Hauptrotorwelle und überträgt die Steuerbefehle zur Blattwinkelverstellung auf den Rotorkopf. Die gesamte Taumelscheibe kann sich auf der Rotorwelle axial bewegen. Dadurch wird der Kollektive Pitchwinkel verändert. Die Taumelscheibe kann aber auch in alle Richtungen mehr oder weniger stark gekippt werden. durch das Kippen der Taumelscheibe wird der zyklische Anstellwinkel der Rotorblätter verstellt.
Damit ein Hubschrauber auch um die Hochachse (senkrechte Achse) drehen kann, benötigt er eine Veränderung des Drehmomentes auf dieser Achse. Der Heckrotor, welcher im Grunde für den Drehmomentausgleich sorgt, eignet sich bestens für diese Aufgabe. Ähnlich der Kollektiven Pitchverstellung am Hauptrotor ist auch der Anstellwinkel der Heckrotorblätter variabel. So kann der Heckrotor mehr oder weniger zum Ausgleich des Drehmomentes des Hauptrotors beitragen und so eine Drehung des Hubschraubers auf der Hochachse bewirken.
Hubschrauber zu fliegen erfordert Konzentration und Übung
Um einen Hubschrauber zu fliegen bedarf es viel Feingefühl. Dabei ist es egal, ob man einen echten Hubschrauber oder einen Modellhubschrauber fliegt. Wer noch nie einen Hubschrauber gesteuert hat, der sollte sich zunächst unbedingt mit den Steuerfunktionen befassen. Vom Aspekt des Steuerns aus betrachtet ist es fast einfacher einen echten Hubschrauber zu fliegen als einen Modellhubschrauber. Das ist bedingt durch die Tatsache, dass sich in einem bemannten Hubschrauber sitzend, die relative Position des Piloten zum Helikopter und zur Flugrichtung nicht verändert. Beim Modellhelikopter ist das aber der Fall!
Auch für Modellhubschrauber gilt: Ein Simulator oder ein Fluglehrer ist fast obligatorisch. Es gibt unterschiedliche Bauarten von Modellhubschraubern, die sich im Schwierigkeitgrad des Fliegens stark unterscheiden.
Koax-Hubschrauber kann man als Anfänger noch gut beherrschen. Fixed Pitch-Hubschrauber sind schon schwieriger zu fliegen. Die Collective Pitch Hubschrauber hingegen unterscheiden sich im Schwierigkeitsgrad des Fliegens extrem von den eigenstabilen Koaxhelikoptern und stellen die Königsklasse der Modellhubschrauber und des gesamten Modellsports dar!
Eine kleine Vergleichstabelle der unterschiedlichen RC-Helikopter findest du hier.
Da das Modellhubschrauber Fliegen so schwer ist, hier einige Tips: Als Anfänger startet und fliegt man zunächst ausschließlich mit dem Heck zum Piloten. Zunächst übt man ausschließlich das Starten, Schweben und Landen - immer in Heckansicht des Hubschraubers. Mehr dazu gibts auch in meinem Ratgeber zum Modellhubschrauber Fliegen lernen.
Das Fliegen von Modellhubschraubern erfordert allerhöchste Konzentration und ist daher auch für das Training unseres Gehirns sehr gut geeignet. durch stetes Training trainieren und verbessern wir unsere Reflexe. Wer viel übt, wird auch schneller Fortschritte machen weil er seine Reflexe trainiert und so viel schneller und dosierter reagieren und agieren kann. Üben am Flug Simulator bzw. Hubschraubersimulator wirkt hier Wunder, denn Zeit zum Überlegen bleibt beim Fliegen eines Modellhubschraubers fast keine.