Rotorblätter für Modellhelikopter

Rotorblätter für Modellhelikopter

RC-Helikopter asymmetrische und symmetrische Rotorblätter

Am Modellhelikopter und an den meisten bemannten Helikoptern finden wir in der Regel zwei Arten von Rotoren. Den Haupt- und den Heckrotor.

Während der Hauptrotor im Wesentlichen für den Auftrieb sorgt, gleicht der Heckrotor das durch den Hauptrotor erzeugte Drehmoment wieder aus. Ohne diesen Drehmomentausgleich würde der Helikopter unter dem Rotor entgegengesetzt zur Rotordrehrichtung rotieren.

Haupt- und Heckrotorblätter

RC-Helikopter asymmetrische und symmetrische Rotorblätter

Die Haupt- und Heckrotorblätter erreichen hohe Drehzahlen und stellen dadurch ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotential dar.

Ein Hauptrotorblatt erreicht leicht Umfangsgeschwindigkeiten von 400km/h. Die folgenden Regeln sollten daher immer beherzigt werden:

Im Fokus steht die Sicherheit

Leistungsstarke Modellhubschrauber sind kein Spielzeug

  • Sicherheitsabstand zum drehenden Rotor einhalten
      Faustregel: Mindestabstand = Hauptrotordurchmesser x 5 (besser mehr)
  • besonders auf Kinder, Tiere und nicht fixierte Gegenstände in der Nähe achten
  • Niemals Gegenstände in den Rotor werfen
  • Rotorblätter immer unterhalb der vom Hersteller vorgegebenen Höchstdrehzahl betreiben
  • Rotorblätter immer in korrekter Drehrichtung montieren
  • Beschädigte Blätter nicht mehr verwenden und auch NICHT reparieren
  • Rotorblätter niemals längere Zeit erhöhten Temperaturen und Sonneneinstrahlung aussetzen
  • Niemals an Rotorblättern herumbasteln, bohren, sägen, schrauben, kleben und dergleichen
  • Vorsicht beim Lackieren von Rotorblättern, es können Unwuchten entstehen
  • Immer die originalen Anschlusshülsen verwenden
  • Niemals Teile wie LEDs oder dergleichen selbst an den Rotorblättern anbringen
  • Nur die originalen Schaftschrauben, Muttern, Unterlegscheiben verwenden
  • Bereits vom Hersteller dynamisch gewuchtete Rotorblätter niemals nachwuchten (alle hochwertigen Rotorblätter sind bereits fertig gewuchtet!)

Aufbau von Rotorblättern

Aufbau Rotorblatt für RC-Helikopter - asymmetrisch und smmetrisch

Im Bild: Die Anschlusshülse zur Befestigung des Blattes im Blatthalter sitzt in einer Bohrung in der Blattwurzel und besteht in der Regel aus Messing. Ein Blatt darf niemals ohne diese Hülse eingebaut werden.

Die Befestigungsschraube des Rotorblattes darf in der Hülse kein merkliches Spiel haben. Gleiches gilt für den Sitz der Blattwurzel im Blatthalter.

Beim Kauf der Rotorblätter muss auf die Dicke der Blattwurzel geachtet werden. Die Blattwurzeldicken sind für die verschiedenen Heli- Klassen gestaffelt ausgeführt, aber nicht alle Hersteller handhaben das einheitlich.

Bei dünneren Blattwurzeln wird der Spalt zwischen dem Blatt und dem Blatthalter mit zwei (oben und unten) genau passenden großen Unterlegscheiben aus Aluminium oder Kunststoff ausgeglichen.

Niemals jedoch darf man selbst an der Blattwurzel herumschleifen um dessen Dicke zu verringern. Idealerweise kauft man Rotorblätter immer mit der zum Rotorkopf passenden Blattwurzeldicke.

Blatthalterschrauben von Rotorblättern, die mit nur einer einzigen Schraube drehbar am Blatthalter befestigt werden, dürfen nicht zu fest angezogen werden. Das Blatt soll sich gerade noch von Hand im Blatthalter hin und her bewegen lassen. Die Schraube muss jedoch mindestens so fest angezogen werden, dass das Rotorblatt beim Anlaufen des Rotors aus dem Stand nicht nach hinten klappt. Das kann vor allem dann zum Problem werden, wenn der Flugregler keinen Sanftanlauf unterstützt.

Vor dem Start des Antriebes müssen die Rotorblätter auf jeden Fall in ihrer Position so gut wie möglich ausgerichtet werden.

Rotorblatt-Materialien

Während für die kleinen Spielzeug-Modellhelikopter heute überwiegend Rotorblätter aus Kunststoff verwendet werden, kommen bei größeren Modellhelikoptern, vor allem bei den 3D-Helikoptern mit höherer Blattbelastung, überwiegend Verbundwerkstoffe wie GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) und CFK (Kohlefaserverstärkter Kunststoff) zum Einsatz. Noch vor wenigen Jahren waren selbst bei größeren Modellhelikoptern die Rotorblätter aus Holz. Bei Helikopter-Scale-Modellen kommen heute oft auch Rotorblätter aus Aluminium-Profil zum Einsatz.

Rotorblätter aus Holz

Als Verbundwerkstoffe wie CFK und GFK für den Modellbauer noch fast unbezahlbar, bzw. nicht verfügbar waren, galt Holz als das Rotorblatt-Material der Wahl. Rotorblätter aus Leichtmetall waren damals ebenfalls schlecht verfügbar bzw. noch sehr teuer. Das Material Holz für den Bau von Rotorblättern einzusetzen war eher eine Idee der Not. Holz ist zwar ein nachwachsendes Naturmaterial, jedoch mit vielen Nachteilen behaftet und nicht sonderlich gut für den Bau von hochbelastbaren Rotorblättern geeignet.

Die Fertigung von typischen Holzrotorblättern beruhte in der Regel auf subtraktiver Formgebung. Das bedeutet, dass die endgültige Blattform meist aus geleimtem Holz herausgefräst wurde. Zumindest aber an den Blattwurzeln sind in der Regel Verstärkungen notwendig, die den Einsatz von anderen Materialien bedingen. So sind beispielsweise an der Bohrung für die Blatthalterschrauben Ringhülsen aus Metall eingearbeitet. Diese sollen die Zugkräfte in der Blattwurzel verteilen und ein Ausreißen der Blattbohrung verhindern.

Oftmals wurden in Richtung der Blattspitze an der Blattvorderseite auch Metalleinsätze eingearbeitet. Diese sollten die Masseverhältnisse im Blatt verändern, um den Blattvorlauf zu minimieren und somit die dynamischen Eigenschaften der Blätter zu verbessern. Holz-Rotorblätter waren entweder wasserfest lackiert, kunststoffbeschichtet oder mit Klebefolie ummantelt. Diese Art des Oberflächenschutzes war wichtig, um die Aufnahme von Wasser aus der Umgebung zu verhindern bzw. zumindest zu minimieren.

Jedoch schneiden selbst qualitativ hochwertige Holz-Rotorblätter im Vergleich mit ihren Pendants aus Glas- bzw. Kohlefaser sehr schlecht ab! Die Nachteile des Materials Holz überwiegen ganz klar im Vergleich zu CFK und GFK. Holz ist ein natürlich gewachsener Rohstoff, der keine homogene Struktur aufweist. Holz-Rotorblätter können sich bei Aufnahme von Feuchtigkeit verziehen und unwuchtig werden. Selbst Sonneneinstrahlung und Temperaturveränderungen können bereits spürbare negative Einflüsse auf Holz-Rotorblätter haben.

Holz-Rotorblätter sind zwar nach wie vor auf dem Markt erhältlich, dennoch sollte man statt dessen auf hochwertige Rotorblätter aus Kohlefaser oder Leichmetall zurückgreifen!

Rotorblätter aus Faserverbundwerkstoffen

Als Faserverbundwerstoffe werden im Bereich der Rotorblattfertigung für Modellhubschrauber überwiegend Kunststoffe verwendet, die mit Glasfasern oder mit Kohlefasern verstärkt werden. Auch eine Kombination aus Glas-und Kohlefaserwerkstoff ist möglich. Neben Glas- und Kohlefasern, gibt es noch Kevlar- und Aramidfasern. Diese sind jedoch so sündhaft teuer, dass sie im Modellbaubereich bisher keine bzw. wenig Anwendung finden.

Kohlefasern (Kohlenstoff-Fasern) werden üblicherweise durch Carbonisierung von Polyacrylnitrilfasern hergestellt und bestehen zu über 90% aus Kohlenstoff. 

Glasfasern werden aus Glas hergestellt. Dabei werden dünne Fäden aus geschmolzenem Glas gezogen.

Glasfaser und Kohlefaser Verbundwerkstoff für Rotorblätter von Modellhelikoptern
Gewebe aus Kohlefasern und Glasfasern, mögliches Basismaterial für die Herstellung von Rotorblättern

Rotorblätter aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)

GFK ist ebenfalls ein Faserverbundwerkstoff, der mit Glasfasern oder Glasfasergewebe verstärkt wurde. Glasfaser wir auch als Fiberglas bezeichnet. GFK-Rotorblätter zeichnen sich durch hohe Festigkeiten aus. GFK Rotorblätter sind wasserfest.

Vorteile von Glasfasern:

  • hohe mechanische Festigkeit
  • hohe Isolation, nicht elektrisch leitfähig

Nachteile von Glasfasern:

  • geringere Verschleißfestigkeit als Kohlefasern

Rotorblätter aus kohlefaserverstärktem (Carbon) Kunststoff (CFK)

Die Außenhülle von CFK-Rotorblättern besteht nicht aus glasfaser- sondern aus kohlefaser- bzw. karbonfaserverstärktem Kunststoff. Kohlefaser, ist wesentlich teurer als Glasfaser. CFK ist im Vergleich zu GFK nochmals deutlich fester bei geringerem Gewicht. Das ermöglicht noch leichtere und noch höher belastbare Rotorblätter. Außerdem verfügen Rotorblätter aus CFK-Gewebe über eine sehr lebhafte und schöne Oberflächenoptik (Sichtcarbon).

Kohlenstofffasern werden häufig in der Luft- und Raumfahrt, sowie der Automobil-, Sport- und Freizeitindustrie eingesetzt. Kohlefaserwerkstoffe sind um ein Vielfaches teurer als Glasfasermaterialien.

Vorteile von Kohlefasern:

  • geringe Masse
  • extrem fest
  • geringe thermische Ausdehnung
  • Temperaturbeständigkeit
  • Korrosionsbeständigkeit

Nachteile von Kohlefasern

  • spröde
  • elektrisch leitfähig

Aufbau von Rotorblättern aus Faserverbundwerkstoff

Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen werden in Halbschalen-Sandwichbauweise hergestellt. Dabei können im Inneren des Blattes unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz kommen.

Nur die aus den beiden Halbschalen zusammengesetzte äußere Hülle des Rotorblattes besteht aus Faserverbundwerkstoff. Die Fasern können mit Harz, Metall und anderen anorganischen Materialien kombiniert verarbeitet werden. Im Inneren des Blattes kommen andere Materialien wie Kunststoff, Styrodur, Holz und Metall wie beispielsweise Aluminium und Blei zum Einsatz. durch den kombinierten Einsatz unterschiedlicher Materialien werden die Blatteigenschaften optimiert.

Metall-Rotorblätter

Bei Metall-Rotorblättern kommt vorwiegend Aluminium zum Einsatz. Es gibt sowohl Metall-Rotorblätter die aus massivem Metall bestehen (sehr selten), als auch Rotorblätter bei denen ähnlich den CFK- und GFK-Rotorblättern nur die äußere Hülle aus Metall besteht. In der Regel kommen hier sogenannte Strangzugprofile zum Einsatz.

Neben einigen Vorteilen gegenüber den faserverstärkten Kunststoff-Rotorblättern sind Metall-Rotorblätter zumindest in einem Punkt unterlegen - der Neigung zur Materialermüdung. durch die ständige hohe Belastung und Verformung während des Einsatzes kann es ohne äußerlich sichtbare Vorzeichen zu Materialermüdungsbrüchen kommen. Das ist auch ein Grund, warum Metall-Rotorblätter immer seltener in der bemannten Helifliegerei eingesetzt werden.

Lagerung der Rotorblätter

Rotorblätter, egal welcher Bauart lagert man, wenn möglich, am besten frei hängend. Dabei wird ein Draht oder ähnliches so durch die Blattbohrung geführt, dass das Blatt spannungsfrei daran hängen kann.

Dynamisch gewuchtete Rotorblätter

Da Rotorblätter immer als Paar oder sogar als Drei- Vier- und Fünfblatt- Satz an einem Rotorkopf eingesetzt werden, müssen hier stets alle Blätter eines Sets zueinander passen, sonst gerät das gesamte Rotorblattsystem außer Balance. Vibrationen, Unwuchten und andere Nachteile sind dann vorprogrammiert.

Modellheli-Rotorblätter werden zunächst in Serie produziert. Die Dimensionen der Rotorblätter sind danach schon identisch. Dann werden die Rotorblätter ausgewogen und vorsortiert. Dann erfolgt der wohl wichtigste Schritt der Nachbearbeitung hochwertiger Rotorblätter. Das gesamte Set wird gewuchtet, und zwar dynamisch! Auf der Unterseite der Rotorblätter wird dann an genau vorgegebener Stelle ein Loch gebohrt und ein genau definiertes Wuchtgewicht eingelassen und dort verklebt. Das Loch wird sicher wieder verschlossen. Das Ergebnis ist ein Set zueinander passender Rotorblätter.

Nachwuchten ist nicht mehr erforderlich, sollte sogar dringend unterlassen werden - auch wenn die heimische Blattwaage etwas anderes sagt, und unterschiedliche Gewichte der Rotorblätter anzeigt.

Bei hochwertigen Rotorblättern stimmt auch der Spurlauf, eine richtig justierte Blattanlenkung vorausgesetzt. Oft haben Blattpaare bzw. -sets eine eingeprägte oder eingravierte Seriennummer, die auf allen Rotorblättern eines Satzes gleich ist.

Rotorblattprofile, Eigenschaften und Aerodynamik

Das Grundwissen über die Aerodynamik am Rotorblatt, sowie einen grundlegenden Einblick in die Geometrie von Rotorblättern findest du im Kapitel "Aerodynamik". Fast jeder Modellheli-Pilot hat seine persönlichen Vorlieben bezüglich der Rotorblatt-Marke. Diese Vorlieben beruhen oft auf Erfahrungen oder Empfehlungen. Oder es werden die Rotorblätter geflogen, die gerade "in" sind. Nicht jedes Blatt ist für jeden Heli und jeden Flugstil gleich gut geeignet. Die Rotorblatteigenschaften beeinflussen das Flugverhalten teils erheblich.

Blattvorlauf / Blattnachlauf

Im Blatthalter können die Blätter, fixiert nur durch eine Schraube, frei schwenken. Hängt man ein Rotorblatt mit dem Bohrloch an der Blattwurzel an einen Nagel in der Wand, dann richtet es sich natürlich der Schwerkraft folgend senkrecht nach unten aus. Ähnlich ist das im Flug, wo das Blatt der Fliehkraft folgt und sich nach außen ausrichtet. Verschiedene Faktoren haben während des Fluges jedoch Einfluss auf die Position der Rotorblätter relativ zur Blatthalterachse. Da wären zunächst der Strömungs- bzw. der Luftwiderstand dem das Blatt aufgrund seiner hohen Umlaufgeschwindigkeit ausgesetzt ist. Der Strömungswiderstand bremst das Blatt und hat somit eine Auswirkung auf die Ausrichtung des Blattes je nach Stärke des Strömungswiderstandes. Des Weiteren hat der Sitz des Blattschwerpunktes, die Blattsteifigkeit und das Blattgewicht ebenfalls Einfluss auf den Vorlaufwinkel (Nachlaufwinkel) des Rotorblattes. Um den Blattschwerpunkt und damit den Blattlauf zu beeinflussen, wird unter anderem Blei als Gewichtskomponente in die Vorderseite der Rotorblätter (letztes Drittel vor der Blattspitze) eingebaut. Das verlagert den Schwerpunkt des Blattes weiter auf die Vorderseite des Blattes und wirkt damit einem zu starken Blattvorlauf entgegen.

Gerade bei FBL Rotorköpfen ist ein minimaler Blattvorlauf/ -nachlauf erforderlich, da die aus dem Blattvorlauf/ Nachlauf resultierenden Kräfte (Schlagbewegung) direkt auf die Servos zurückwirken und nicht wie bei einem Paddelheli zunächst auf die Paddelebene und lediglich indirekt und gedämpft auf die Servos.
Der Blattvorlauf liegt im Millimeterbereich.

Von Blattvorlauf spricht man, wenn die Blattspitze der theoretischen Geraden durch die Blatthalterachse in Drehrichtung vorauseilt.

Voreilende Blattanlenkung am RC-Helikopter - Heli-Planet

Von Blattnachlauf spricht man hingegen, wenn das Blatt der theoretischen Geraden durch die Blatthalterachse in Drehrichtung nacheilt.

Nacheilende Blattanlenkung am RC-Helikopter - Heli-Planet

Nulldurchlauf

Als Nulldurchlauf oder auch Nulldurchgang bezeichnet man genau den Punkt des Wechsels zwischen positivem und negativem Anstellwinkel eines Rotorblattes. Besitzen Rotorblätter keinen exakten Nulldurchgang, dann entwickeln diese Rotorblätter eine Eigendynamik, die sich in der Form äußert, dass der Helikopter dadurch nicht feinfühlig zu steuern ist. Solche Rotorblätter werden auch als "dominante Rotorblätter" bezeichnet, da sie die auf das Blatt wirkenden aerodynamischen Kräfte verstärken. Der Nulldurchgang wird maßgeblich von der Steifigkeit der Blätter und dem Schwerpunkt sowie dem Vorlauf-/ Nachlaufwinkel beeinflusst.

Dominante Rotorblätter

Ein dominantes Blatt kann sich merklich auf den kollektiven Pitchwinkel auswirken. In der Praxis bedeutet das, dass ein solches Blatt den kollektiven Pitchwinkel verstärkt. Je höher die Drehzahl - umso höher wird dabei auch der Pitchwinkel, bei gleicher Stellung des Pitch- Steuerknüppels. Das gilt sowohl für positiv als auch negativ Pitch.

Dominante Blätter besitzen auch die Unart, sich um den neutralen Pitchbereich herum (um 0°) "selbständig zu machen". Das geschieht, da beim Verstellen des Pitchwinkels aerodynamische Kräfte das dominante Blatt daran hindern, sauber durch den Nullpunkt zu laufen. Das Blatt geht nicht gleichmäßig durch den Nullpunkt, sondern schlägt an einem Punkt plötzlich um. In der Praxis äußert sich das manchmal auch darin, dass der Heli nicht sauber auf Höhe gehalten werden kann. Auch zyklische Steuereingaben für Roll (Aileron) und Nick (Elevator) werden von einem solchen Blatt nicht genau umgesetzt. Die Folge ist unsauberes Reagieren des Heli auf die Steuerbefehle. Feinfühliges Steuern ist schlecht möglich - gibt man dann stärkere Befehle, so reagiert der Heli über.

Rotorblattbelastungen

Rotorblätter sind enormen Belastungen ausgesetzt. An einem 600er Rotorblatt wirkt bei einer Drehzahl von nur 1850 U/min eine Fliehkraft von etwa 163kg! Die Blattspitzen bewegen sich dabei mit etwa 471km/h!

Mit unserem Umfangsgeschwindigkeit kannst du leicht herausfinden, welche Belastungen die Rotorblätter an Deinem Helikopter aushalten müssen.