Unterschied zwischen Flybarless und Paddelstangen Heli

Hubschrauber fliegen nicht eigenstabil!

Würde man einen Heli lediglich mit einer angetriebenen Rotorwelle versehen und oben einen Halter mit verstellbaren Rotorblättern abringen - das ganze System wäre dann derart instabil, dass es nicht fliegen würde. Eine Stabilisierung des Helikopters, im speziellen des Rotorkopfes, ist also von Nöten, und dabei machen wir uns den Kreiseleffekt zu Nutze. Durch auftretende äußere Einflüsse wird die Stabilisierung negativ beeinflusst. Eine vollkommene Kopf- (Rigid) Stabilisierung ist mit rein mechanischen Lösungen nicht möglich. Bei modernen FBL Systemen sieht das etwas anders aus, aber dazu später.

Bei Helikopter- Modellen, die in der Regel eine eher kleine Masse besitzen (geringere Trägheit), bewirken äußere Einflüsse schnelle Änderungen der Fluglagen. Das Ziel einer Stabilisierung besteht also darin, die Änderungen der Fluglagen möglichst stark zu dämpfen und die Eigenstabilisierung möglichst zu verstärken, damit Helikopter- Modelle sich wie ihre bemannten Vorbilder bewegen und steuern lassen.

Für die Stabilisierung des Hecks (Stabilisierung der Hochachse) bedient man sich schon länger der Dienste von Kreiseln (Gyros). Ohne diese Kreisel wäre an ein"Fliegen mit Flugspaß" gar nicht zu denken.

Für die Stabilisierung des Rotorkopfes wurde für die so Bell / Hiller Ansteuerung entwickelt.

An beiden Enden einer Stange, welche mit dem Hauptrotor rotiert, befinden sich Gewichte (Bell- Gewichte).

Diese Stange ist zentrisch zur Rotorachse gelagert und schwenkbar. Über ein Gestänge ist diese zweite Rotorebene (genannt: Hilfs- Rotorebene) mit der Hauptrotorebene verbunden.

Die Neigung der Hilfsrotorebene beeinflusst direkt den zyklischen Anstellwinkel der Hauptrotorblätter.

Wenn der Hubschrauber seine Fluglage um die Längs- oder Querachse ändert, dann verbleibt die Hilfsrotorebene durch den Kreisel- Effekt (gyroskopischer Effekt) in der ursprünglichen Lage. Die Hauptrotorebene neigt sich relativ zur Hilfsrotorebene. Die dadurch wirkende zyklische Ansteuerung der Hauptrotorblätter wirkt der Fluglagenänderung entgegen.
Bei der BELL UH 1D, bemanntes Vorbild vieler Scale- Modelle (siehe Bild), wurde diese Technik angewandt.

Die Hiller- Steuerung wurde entwickelt, um über die Stange mit den Bell- Gewichten auch die Lenkung des Hubschraubers zu realisieren. Dazu wurde die schwenkbar gelagerte Stange mit den Gewichten (Bell Steuerung) durch eine kardanisch aufgehängte Stange ersetzt, an dessen Ende sich Hilfsflügel (genannt: Paddel) befinden. 
Eine Drehung dieser Paddelstange (auch genannt: Stabistange) bewirkt eine Veränderung der Anstellwinkel der Paddel und somit eine Neigung der Hilfsrotorebene relativ zur Hauptrotorebene. Über ein Gestänge werden die Hauptrotorblätter zyklisch angesteuert und der Heli kann somit gesteuert werden.

Die Veränderung der Größe oder des Gewichtes der Paddel, sowie der Länge der Paddelstange, wird das Steuerungs- und Dämpfungsverhalten beeinflusst.

Dieter Schlüter, auch Urvater des Modellhubschraubers genannt, entwickelte die ersten Rotorköpfe für Modellhubschrauber, mit denen diese erstmals wirklich steuerbar wurden.

Die meisten Paddelhelikopter sind mit einer kombinierten Bell- Hiller Steuerung ausgestattet. Seit mehreren Jahren übernehmen mehr und mehr elektronische Stabilisierungssysteme, genannt Flybarless- Systeme, die Stabilisierung unserer Modellhelikopter.

Aus gutem Grund? Das klären wir an anderer Stelle im Folgenden.

Elektronische Kopfstabilisierung ohne Paddelstange

Im Zeitalter der Elektronik gibt es nun die Möglichkeit, die Kopfstabilisierung auf elektronischem Wege zu realisieren. Dazu werden sogenannte RIGID- Systeme (Flybarless kurz: FBL) eingesetzt.

Ein FBL System ist eine kleine elektronische Schaltung. Diese kann die komplette mechanische Bell Hiller Steuerung am Rotorkopf auf elektronischen Wege realisieren. Ein FBL System übernimmt die komplette Stabilisierung des Helikopters. Im Prinzip ist ein FBL System ein Heckgyro das auf 3 Achsen erweitert wurde. Es stabilisiert nicht mehr nur das Heck, sondern auch die Nick- und die Rollachse. Die Anzahl der nötigen Bauteile am Rotorkopf reduziert sich dabei ganz erheblich, denn es entfällt nicht nur die Paddelstange mit den Paddeln und Gewichten, sondern auch eine ganze Reihe an Gestängen und Umlenkungen.

Flybarless Systeme werden auch als Rigid Systeme bezeichnet und übernehmen die Stabilisierung auf allen drei Bewegungsachsen des Helikopters ( Querachse  ,  Hochachse  und  Längsachse  bzw.  Heck  ,  Nick  ,  Roll  ).

Bei Paddelköpfen stellt man das Steuerverhalten des Helikopters rein mechanisch ein. Bei einem FBL System erfolgen alle diese Einstellungen durch Veränderung von Parametern im FBL System.

Wie funktioniert ein Flybarless System

Bei einem FBL System erfolgt die Stabilisierung der Längs- und Querachse über eine direkte Ansteuerung der Haupt- Rotorblätter. Paddel und Stange werden nicht mehr benötigt.

In einem FBL System sind für jede der 3 Bewegungsachsen Sensoren verbaut. Die Bewegungen und Beschleunigungen des Helikopters auf den Achsen (Hoch-, Quer- und Längsachse) werden durch diese Sensoren erfasst und registriert. Die FBL- Elektronik wertet diese Signale aus. Gleichzeitig werden vom Sender kommende Steuerbefehle verarbeitet und umgesetzt. Ein FBL System kann so die Fluglage eines Helikopters viel besser als eine Paddelstange stabilisieren.

Ein FBL System bietet viel mehr Einstellmöglichkeiten als ein mechanisches Paddelsystem und es gibt auch einige Fallstricke, die oft Anfängern zum Verhängnis werden. Während eine falsche Montage am Rotorkopf eines Paddelhelis fast immer offensichtlich ist, weil etwas schief steht oder nicht passt, macht sich eine falsche Einstellung im FBL System erst beim Abheben des Helis bemerkbar. Dann ist es aber oft zu spät um zu reagieren. 

Vor- und Nachteile von Flybarless- Systemen

Vorteile

  • Ein FBL Kopf ist wesentlich kompakter und besteht aus weniger Teilen. Dadurch vermindern sich die Herstellungskosten für den Kopf.
  • Bei einem Crash werden so weniger Teile am Kopf beschädigt, was sich positiv auf die Ersatzteilbeschaffungskosten auswirkt.
  • Durch geringeren Luftwiderstand und weniger Masse ist der Energieverbrauch des Antriebes auch etwas geringer, was wiederum zumindest theoretisch zu  geringfügig längeren Flugzeiten führt.
  • FBL Systeme gleichen Wind- Einflüsse sehr gut aus und erreichen dadurch stabilere Flugeigenschaften als Paddelsysteme.
  • FBL Systeme können Fehler in der mechanischen Einstellung bzw. Balance ausgleichen, was aber gleichzeitig auch ein Nachteil sein kann! 

Nachteile

  • Da die Taumelscheiben- Servos direkt ohne eine Hilfsrotorebene auf die Rotorblätter wirken, werden die Servos viel stärker belastet als mit Paddelkopf und müssen größere Kräfte aufbringen.
  • Gute Flugeigenschaften sind nur mit Rotorblättern zu erreichen, die einen sauberen Nulldurchgang aufweisen.
  • Die Anschaffungskosten für einen FBL Rotorkopf sind trotz weniger aufwendiger Bauweise etwa gleich mit Paddelköpfen. Es werden auch stärkere, und dadurch oft teurere Servos benötigt.
  • Das Steuerverhalten ist mitunter etwas "synthetisch". Was jedoch wiederum nicht wirklich ein echter Nachteil ist.
  • Da FBL Systeme mechanische Einstellfehler kompensieren können, merkt man nicht sofort, wenn etwas nicht stimmt.
  • Falsche Einstellungen sind nicht offensichtlich wie bei Paddelhelis.

Bedeutung des Lastschwerpunktes am Paddel- und am FBL Helikopter

Wir stellen uns einmal vor, wir haben einen größeren Akku in den Heli gebaut, der unseren Heli nun Kopflastig macht. 

Paddel- Heli

Am Paddelhelikopter wird diese Veränderung beim Fliegen sofort und drastisch spürbar sein. Der Hubschrauber wird die Nase permanent nach unten ziehen, da er nicht mehr richtig ausbalanciert ist. Wir müssen am Sender gegensteuern und permanent Nick ziehen um die Nickachse in Position zu halten.

FBL- Heli

Beim FBL Heli werden wir nicht sehr viel von dieser Veränderung des Lastschwerpunktes mitbekommen. Warum?
Das FBL erkennt sehr genau, dass der Heli die Nase absenkt und kompensiert dies durch automatisches Gegensteuern auf der Nickachse.

Der positive Aspekt hierbei ist, dass der FBL- Heli die Fluglage automatisch korrigiert. Der Pilot wird kaum etwas vom unkorrekten Lastschwerpunkt bemerken.

Durch das permanente automatische Gegensteuern des FBL Systems, kann der Energieverbrauch des Antriebes stark ansteigen und die Flugzeit drastisch reduziert werden.

Rigid, Horizont, Positionsmodus und Rettungsfunktion

Rigid

Jedes FBL hat eine RIGID-Funktion.

Die Rigid- Funktion das ist die eigentliche Stabilisierungsfunktion, die den Einsatz einer Paddelstange überflüssig macht. Die Rigid- Funktion kann man gewöhnlich nicht abschalten, sie ist permanet aktiv. 

Horizont

Nicht jedes FBL System hat eine Horizontfunktion. Die Horizontfunktion ist opional zuschaltbar. Das kann auch während des Fluges über einen Schalter am Sender erfolgen. Mit eingeschalteter Horizontfunktion kann man auch permanent fliegen. Sie versucht stets, den Heli in die horizontale Fluglage zu bringen. Die Höhe muss dabei weiter vom Piloten gesteuert werden. Mit den Steuerknüppeln kann man diese Funktion übersteuern. Sobald der Nick- und Rollsteuerknüppel am Sender losgelassen wird, bringt diese Funktion den Heli zurück in die horizontale Fluglage. Die Wirkstärke und die Übersteuerbarkeit kann im FBL eingestellt werden. Für Anfänger kann die Wirkstärke hoch eingestellt werden. Diese Funktion ist nicht erforderlich zum Fliegen, sondern als Option gedacht!

Rettungsfunktion

Dies eine optionale Zusatzfunktion, die nicht von allen FBL- Systemen beherrscht wird. Die Rettungsfunktion ist ähnlich der Horizontfunktion. Bedingt durch deren Zweck, erfolgt die horizontale Ausrichtung des Helis in rasantem Tempo, denn bei einer Rettung knapp über dem Boden zählt jeder Sekundenbruchteil.

Die Rettungsfunktion wird in der Regel über Tastendruck am Sender ausgelöst. Die Rettungsfunktion bewirkt eine schnelle horizontale Ausrichtung des Helikopters - egal aus welcher Fluglage heraus. Gewöhnlich wird bei einer Rettung auch Pitch eingesteuert, um den Heli für die Dauer der Auslösung der Rettung steigen zu lassen. Wie schnell der Heli dann steigt, ist abhängig von der entsprechenden Einstellung im FBL. Die Steiggeschwindigkeit ist natürlich auch abhängig von der Rotordrehzahl.

Eine Rettungsfunktion ist besonders für Einsteiger zu empfehlen. Der Mehrpreis relativiert sich in Windeseile. Selbst wenn die Rettungsfunktion während eines durchschnittlichen Helilebens von mehreren Jahren nur ein einziges Mal aktiv den Heli rettet, sind die Mehrkosten wieder eingefahren!

Positions- Modus

Nicht jedes FBL System beherrscht diesen Modus. Der Positions- Modus ist eine Zusatzfunktion zur eigentlichen Rigid- Stabilisierung des FBL. Dieser hat mit der eigentlichen Grundfunktion eines FBL Systems nichts zu tun, kann aber in das Gesamtsystem FBL integriert sein.

Als Positions- Modus bezeichnet man eine zuschaltbare Funktion, die den Heli in einer relativen Position zum Boden fixiert, sobald man die Steuerknüppel loslässt. Die FBL Systeme mit Positionsmodus bedienen sich dabei entweder des GPS (BEIDU, GLONASS u.a.) Signals oder einer kleinen Kamera, die Bewegungen über dem Boden registriert, oder einer Kombination aus beidem.

Für den Modellsport ist der Positions- Modus wenig relevant. Der ursprüngliche Gedanke bei der Entwicklung dieser Funktion war eine Stabilisierung der Flugplattform während der Aufnahme von Luftbildern oder Videos. 

Auch der Nutzen für Heli- Anfänger ist umstritten, denn als Rettungsfunktion ist sie nur sehr bedingt tauglich, weshalb heutige FBL Systeme diese Funktion längst über Bord geworfen haben. 

ATTI-  Modus

Nicht jedes FBL System besitzt eine ATTI (Höhe halten)- Funktion. Um den ATTI Mode zu beherrschen, muss das FBL einen Höhensensor integriert haben. Dieser Modus ist im Heli Modellsport wenig relevant und hat mit der eigentlichen Rigid Funktion eines FBL Systems nichts zu tun.

Lohnt sich der Umstieg von Paddel auf ein FBL System?

Wer bereits einen hochwertigen Paddelkopf besitzt, der sollte diesen aus auch behalten und von einem Umbau absehen. Zumindest dann, wenn durch den Umbau auch neue teure Servos angeschafft werden müssen, ist bei vielen die Antwort "Nein". Wenn Geld und Zeit jedoch keine allzu große Rolle spielen, dann kann ein Umbau sich lohnen. Spätestens nach einem Crash bzw. vor einer anstehenden Reparatur des noch vorhandenen Paddelkopfes kann man erneut die Situation abwägen und sich für den Umbau auf ein FBL entscheiden.

Bei Neukauf eines Helikopters kann ich an dieser Stelle jedoch eine klare Empfehlung für das FBL System aussprechen.

Die gute Stabilisierung und die Zusatzfunktionen die heutige FBL Systeme bieten, bringen Vorteile gerade für Anfänger.