Der Rotorkopf eines Modellhelikopters

Es gibt die altbekannten Rotorköpfe mit Hilfspaddel bzw. Stabilisator- Stange - auch Paddel- Rotorkopf genannt - und Rotorköpfe, bei denen die Stabilisierung nicht mittels Stabilisator- Stange, sondern auf elektronischem Wege erfolgt. Diese Bauart wird Flybarless- (FBL) Rotorkopf genannt. Flybarless verdrängt derzeit die Paddelrotorköpfe, denn dank Elektronik ist es heute möglich, auch Funktionen und Einstellmöglichkeiten in FBL zu integrieren, die den Paddelköpfen auf Grund der rein mechanischen Funktionsweise vorenthalten bleiben.Es gibt die altbekannten Rotorköpfe mit Hilfspaddel bzw. Stabilisator- Stange - auch Paddel- Rotorkopf genannt - und Rotorköpfe, bei denen die Stabilisierung nicht mittels Stabilisator- Stange, sondern auf elektronischem Wege erfolgt. Diese Bauart wird Flybarless- (FBL) Rotorkopf genannt. Flybarless verdrängt derzeit die Paddelrotorköpfe, denn dank Elektronik ist es heute möglich, auch Funktionen und Einstellmöglichkeiten in FBL zu integrieren, die den Paddelköpfen auf Grund der rein mechanischen Funktionsweise vorenthalten bleiben.

Im Modellbaubereich sind Zweiblattköpfe am häufigsten vorzufinden. Diese sind im Vergleich zu Mehrblattköpfen weniger komplex aufgebaut, einfach einzustellen und preisgünstig in der Anschaffung. Konsequente Leichtbauweise, vor allem im 3D- Sektor, in Kombination mit hohen möglichen Rotordrehzahlen, ermöglicht durch hochbelastbare Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen, machen Zweiblattköpfe im Modellbau universell einsetzbar. Nur seltenen ist der Einsatz von mehr als zwei Rotorblättern im Helikopter Modellbau wirklich notwendig. Lediglich bei hohen Modellgewichten, wie sie typischerweise im Scale- Bereich erreicht werden, kann der Einsatz von Mehrblattköpfen aus Gründen der Tragkraft erforderlich werden. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Rotorkopf- Drehzahl niedrig ausfallen soll, um dem bemannten Vorbild optisch zu entsprechen. Der häufigste Grund für die Verwendung von Mehrblatt- Rotorköpfen im Modellhelikopter- Bereich ist schlicht und einfach die Optik! Denn ein gutes Scalemodell ist dem Vorbild immer möglichst ähnlich. Das gilt ganz besonders für den Rotorkopf und die Anzahl der Rotorblätter.

An einen Rotorkopf werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt. Die Blatthalter und das Zentralstück müssen die hohen Zugbelastungen durch die Fliehkraft der Rotorblätter aushalten und dabei das Gewicht des gesamten Helikopters tragen. Die Rotorwelle ist Biegebelastungen ausgesetzt, die durch zyklische Steuerbefehle und äußere Einflüsse entstehen, und der Rotorkopf, vor allem der Bereich der Blattaufhängungen, muss Schlagbelastungen der Rotorblätter dämpfen. Beim Modellhelikopter kommen, bedingt durch die extreme Leistungsfähigkeit der Antriebe im 3D Flug, schnelle Lastwechsel hinzu. Um den Anforderungen gerecht zu werden muss die gesamte Rotorkopf- Konstruktion perfekt zusammenspielen und trotz gewünschter Elastizität des gesamten Systems präzise ansteuerbar sein.

Während das allgemeine Funktionsprinzip der Rotorköpfe der bemannten Helikopter und der Modellhelikopter identisch ist, unterscheiden sich Beide jedoch im Aufbau voneinander. Das ist hauptsächlich den unterschiedlichen Anforderungsprofilen geschuldet. Ein treffliches Beispiel für ein solches Unterscheidungsmerkmal sind die Schlaggelenke. Schlaggelenke am bemannten Helikopter erlauben dem Rotorblatt eine Auf- und Abwärtsbewegung von mehreren Graden. Das Schlaggelenk befindet sich direkt an der Blattaufhängung. Diese typischen Schlaggelenke sind beim modernen Modellhelikopter nicht mehr vorzufinden. Vielmehr kommen hier sogenannte Dämpfergummis zum Einsatz, in denen die Blattlagerwelle gelagert ist. Im Zeitalter der Flybarless- Helikopter werden diese ursprünglich weichen Gummidämpfer sogar durch extrem harte Gummidämpfer, ja sogar Plastik ersetzt, denn FBL Systeme haben Schwierigkeiten mit einer weichen Dämpfung. Sie lieben die direkte ungedämpfte Reaktion des Helis auf die Steuerung.

Bei den Eigenschaften der verbauten Materialien spielt unter anderem das Gewicht eine wichtige Rolle, weshalb hier überwiegend Aluminium oder faserverstärkte Kunststoffe Verwendung finden.

Da auch im Modellbau der Spruch gilt: „Das Auge isst mit!“, kommt hier manchmal der Optik ein größerer Stellenwert zu, als sie tatsächlich verdient. Mit anderen Worten gesagt, bestimmt hier maßgeblich der Käufer, was produziert wird. Edel muss es aussehen und teuer! Dabei hat ein Rotorkopf mit Zentralstück und Blatthaltern gefertigt aus faserverstärktem Kunststoff, keine Nachteile gegenüber Aluminium. Schlagfester, zäher Kunststoff ist dafür bestens geeignet.

Dass Aluminium nicht gleich Aluminium ist und Kunststoff nicht gleich Kunststoff, sollte jedem hinlänglich bekannt sein. „You get what you pay for“ gilt auch hier im Besonderen! Im Billigsektor wird oftmals am Material und dessen Qualität gespart. Außerdem ist die Verarbeitungsqualität oft auf unterstem Niveau. Wer hier billig kauft um Geld zu sparen, der spart mutmaßlich an der falschen Stelle! Auf die Einzelheiten soll hier nicht weiter eingegangen werden. Schlechte Qualität hat aber definitiv nichts mit dem Herkunftsland zu tun!

Kräfte und Belastung von Rotorkopf und -blatt

Die Spitzen der Rotorblätter erreichen Umfangs- Geschwindigkeiten von mehreren Hundert km/h und erzeugen dabei hohe Fliehkräfte, die vom Rotorkopf aufgenommen werden müssen.

Genereller Aufbau eines Paddel- Rotorkopfes

Hier ein typischer Zweiblatt Rotorkopf mit Paddelstange zur Stabilisierung. Die Paddelebene liegt bei diesem Kopf unter der Rotorblatt- Ebene. Es handelt sich hier um einen nacheilend angesteuerten Kopf. Die Paddelebene kann sich konstruktionsbedingt auch über den Rotorblättern befinden.

Rotorkopfkennzeichen und Unterscheidungsmerkmale

Es gibt viele verschiedene Rotorkopfbauformen, die sich unterscheiden durch:

  • Anzahl der Rotorblätter
  • Drehrichtung links oder rechts (CW oder CCW)
  • Art der Stabilisierung (FBL oder Stange/ Paddel)
  • Anlenkung vor- oder nacheilend
  • Anzahl und Anordnung der Rotorkreisebenen

Anzahl der Rotorblätter

Neben den weit verbreiteten Rotorköpfen mit zwei Rotorblättern findet man auch sogenannte Mehrblatt- Rotorköpfe mit drei bis sieben Rotorblättern. Die Anzahl der Rotorblätter wirkt sich maßgeblich auf die Tragfähigkeit des gesamten Helikopters aus. Vor allem große Lastenhelikopter haben oft 5 oder 7 Rotorblätter um mehr Auftrieb erzeugen zu können.

3D Modellhelikopter haben in der Regel nur 2 Rotorblätter.

Drehrichtung links oder rechts (CW oder CCW)

Es gibt sowohl links- als auch rechtsdrehende Rotorköpfe. Bei den 3D Helikoptern dominiert das rechtsdrehende System. Da Scale- Modelle dem großen Vorbild nahekommen sollen, findet man hier auch öfter linksdrehende Rotorköpfe. Auf die Funktion hat die Drehrichtung des Rotorkopfes keinen weiterreichenden Einfluss.

Art der Stabilisierung (FBL oder Stange/ Paddel)

Es gibt Rotorköpfe mit Hilfsrotor bzw. Paddelstangen- Stabilisierung (Bell- Hiller Hilfsrotor) und Flybarless- (FBL) Köpfe ohne Paddelstange.

Rotorkopf mit Hilfsrotor

Bei diesen Rotorköpfen kann der Hilfsrotor (Paddel oder nur Stange mit Gewichten) sowohl über als auch unterhalb der Rotorkreisebene angebracht sein.

Flybarless Rotorkopf

Eine Stange mit Paddeln sucht man bei Flybarless Systemen vergebens. Die Stabilisierung erfolgt auf elektronischem Wege. Das spart Teile, Gewicht und Material und eröffnet neue Möglichkeiten der Parameteranpassung.

Anzahl und Anordnung der Rotorkreisebenen

Eine Rotorkreisebene

Im 3D Heli Modellsport findet man vorrangig Rotorköpfe mit nur einer Rotorkreisebene.

Zwei Rotorkreisebenen

Zwei parallele Rotorkreisebenen

Neben Rotorköpfen mit nur einer Rotorkreisebene, gibt es auch Rotorköpfe mit zwei Rotorkreisebenen. Ein typischer Vertreter ist der Koaxial- Helikopter, der zwei parallel zueinander angeordnete Rotorkreisebenen besitzt.

Zwei im Winkel zueinander angeordnete Rotorkreisebenen
Während die Rotorkreisebenen beim Koaxial- Helikopter parallel zueinander stehen und übereinander auf der gleichen Achse angeordnet sind, gibt es auch Helikopter mit zwei Rotorkreisebenen, die in einem definierten Winkel (nicht parallel) zueinander stehen, wie das bei der Flettner- Konstruktion der Fall ist.

Rotorkopf mit Paddelstange

Die Bell /Hiller- Mischung beim Rotorkopf mit Paddelstangen- Stabilisierung ist eine sogenannte zwischenliegende Ebene, die sich zwischen Taumelscheibe und Rotorblatt- Anlenkung befindet. Sie verstärkt auf der einen Seite die Bewegungskräfte der Taumelscheiben- Servos, auf der anderen Seite dämpft sie die von den Blättern kommenden Schläge und Stöße wirksam ab.

Bei Flybarless Systemen hingegen fehlt diese verstärkende und gleichzeitig dämpfende Ebene völlig. Die Übertragung der Bewegungskräfte der Taumelscheiben- Servos erfolgt direkt auf die Rotorblatthalter. An die Servos von FBL Systemen werden daher besonders hohe Anforderungen gestellt. Neben einer hohen Stell- und Haltekraft müssen die Servogetriebe sehr robust sein.

Typischer Zweiblatt Rotorkopf mit Paddelstange zur Stabilisierung. Die Paddelebene liegt bei diesem Kopf unter der Rotorblatt- Ebene. Es handelt sich hier um nacheilend angesteuerte Blatthalter.

Bell & Hiller Steuerung

Für die Umsetzung der zyklischen Steuerbefehle am Modellheli bedient man sich der Entwicklungen von Bell & Hiller

Bell Steuerung

Die Bell Steuerung ist der Steueranteil der von der Taumelscheibe direkt an die Blatthalter übertragen wird. Der Bell Steueranteil ist folglich ein direktes Steuersignal. Die reine Bell Steuerung im übertragenen Sinne kommt bei FBL Helikoptern zum Einsatz.

Hiller Steuerung

Die Hiller Steuerung wird über die eigentliche Paddelstange realisiert. Die Paddelstangenebene wird durch die Zentrifugalkraft stabilisiert. Diese relativ stabile Lage dieser Ebene wird jedoch beeinflusst und verändert, sobald ein zyklisches Steuersignal von der Taumelscheibe (Kippung der Taumelscheibe) kommt. Diese zyklische Veränderung wird über den „Hillerarm“ als indirektes Steuersignal auf die Blatthalter weitergeleitet.

Bei Fixed Pitch Modellen wird nur die reine Hiller- Steuerung eingesetzt.

Kombinierte Bell/ Hiller Steuerung

Die Kombination aus Bell und Hiller Steuerung ist eine Steuerung mit direktem und indirekten Steueranteil. Am Hillerarm von Paddelrotorköpfen kann durch Veränderung der Hebellängen das Mischverhältnis von Bell zu Hiller eingestellt werden. Auf Grund der stabilisierenden Zentrifugalkraft der sich drehenden Paddelstange erfolgt die Einmischung des Hiller Signals auf die Rotorblätter vergleichsweise weich und sanft.

Je größer der direkte (Bell) Steueranteil ist, umso direkter regiert das Modell auf zyklische Steuereingaben, denn dieser Steueranteil kommt immer direkt an den Rotorblättern an. Durch Vergrößerung  des direkten Steueranteils (Bell) vergrößern sich sowohl die zyklischen, als auch die kollektiven Pitchwerte.

Flybarless (FBL)- Rotorkopf

Beim FBL- Rotorkopf fehlt die Paddelebene gänzlich. Die Anlenkung der Rotorblätter erfolgt direkt über die Taumelscheibe.

Voreilende und Nacheilende Ansteuerung der Rotorblätter

Voreilende Ansteuerung der Rotorblätter

Bei der voreilenden Ansteuerung der Blätter befindet sich die Rotorblatt- Anlenkung in Drehrichtung gesehen vor dem Rotorblatt. Die Hiller Rate (das Mischverhältnis der Paddelebene) bei voreilend angesteuerten Paddelköpfen ist im Normalfall auf einen Wert von max. 50% begrenzt.

Nacheilende Ansteuerung der Rotorblätter

Bei dieser Art der Ansteuerung befindet sich die Blattanlenkung in Drehrichtung gesehen hinter dem angesteuerten Rotorblatt. Die Anlenkung eilt dem Blatt hinterher. Daher der Begriff „Nacheilende Anlenkung“. Mit einer nacheilenden Anlenkung kann man die Hiller-Rate bei Paddelköpfen deutlich erhöhen.

Rotorkopfzentralstück, Dämpfung und Blatthalter

Das Rotorkopf Zentralstück stellt die Verbindung zwischen der Rotorwelle und den Rotorblättern dar. Am Rotorkopfzentralstück werden die Blatthalter befestigt. Bei Zweiblatt- Rotorköpfen im Modellbereich findet sich im Zentralstück meist eine durchgehende Bohrung, die eine Blattlagerwelle und die Dämpfungsringe beherbergt. An Rotorköpfen mit mehr als zwei Rotorblättern sind die Blatthalter mittels Blattlagerzapfen in entsprechender Anzahl am Zentralstück befestigt.

Überwiegend findet man heute Zweiblatt- Systeme mit durchgehender Blattlagerwelle auf dem Markt. Eine durchgehende Blattlagerwelle ist im Rotorkopfzentralstück mittels beidseitiger Dämpfer (Gummibuchsen) mehr oder weniger "weich" gelagert. Ausschlaggebend ist hier die "Härte" der Dämpfergummis. Die Rotorkopfdämpfung hat die Aufgabe, dem Rotorblatt im Flug eine minimale Bewegung nach oben oder unten zu ermöglichen. Diese Bewegung des Blattes wird als "Schlagbewegung" bezeichnet. Die so ermöglichte "Schlagbewegung" des Blattes bei entsprechender Krafteinwirkung auf das Blatt ist wichtig für einen schnellen Geradeausflug, denn durch die "Schlagbewegung" werden unterschiedliche Anström- Geschwindigkeiten von vorlaufendem und rücklaufenden Rotorblatt ausgeglichen.

Für Rundflug und Schwebflug sind "mittelharte" Dämpfergummis gut geeignet, für extremen 3D Flug setzt man vorwiegend "harte" Dämpfergummis ein. Die Härte wird in Shore angegeben. Umso größer die Shorezahl, umso härter der Gummi. Der Fachhandel hält hier eine große Auswahl bereit.

Rotorkopf- Dämpfung – Aufhängung der Blatthalter

Im Bild zu sehen ist die Darstellung eines Rotorblatthalters. Dieser ist drehbar gelagert und ermöglicht so eine Veränderung des Pitchwinkels. (Bild mit Klick vergrößern)

Paddelkopf - Flugstabilität und Agilität einstellen

Wenn der indirekte (Hiller) Steueranteil erhöht wird, dann führt das zu mehr Flugstabilität. Ein ganz wichtiger Faktor dabei ist jedoch der Ausschlag der Paddel. Ist der Ausschlag der Paddel größer, dann ist das sehr förderlich für die Agilität eines Helis. Bei vielen guten Paddelkopf- Modellen sind daher die Steuerwege der Paddel über verschiedene Einhängepunkte einstellbar.

Je länger die Paddelstange ist - umso höher ist die Umfangsgeschwindigkeit der Paddel. Dadurch steigt die Zentrifugalkraft / Fliehkraft der Paddelebene an, und das Modell fliegt stabiler. Auf Grund der höheren Umlaufgeschwindigkeit werden die Paddel aber auch stärker von der Luft angeströmt. Das hat eine Vergrößerung der zyklischen Kräfte am Kopf zur Folge. Die maximal zulässige Länge der gesamten Paddelstange (von einem Ende zum anderen Ende gemessen) ist etwa 30% des Rotorkreisdurchmessers. Viel länger sollte die Stange nicht sein. Bei 1m Rotorkreisdurchmesser sind das also 30cm.

Durch Vergrößern des Paddelgewichtes durch Zusatzgewichte oder schwerere Paddel, erhöht sich die Fliehkraft. Der Helikopter fliegt stabiler und gutmütiger, reagiert aber auf Grund der Masseträgheit von Paddel und Zusatzgewichten schlechter auf zyklische Steuerbefehle.

Vergrößert man die Paddel, dann reagiert der Heli stärker auf zyklische Steuereingaben, da die Paddel durch die größere angeströmte Fläche auch größere Schubkräfte in die entsprechende Richtung entwickeln und zyklische Steuersignale "aggressiver" eingemischt werden.

Eine Erhöhung des Paddelgewichtes oder anbringen von Zusatzgewichten führt zu mehr  Flugstabilität und geringerer Agilität - vice versa.

Rotorkopf- Drehzahl und - Belastung

Die Rotordrehzahl ist maßgeblich für die Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblätter.

Regel: Drehzahl immer so gering wie möglich, aber so hoch wie nötig!

Die Rotordrehzahl wird durch die folgenden Faktoren bestimmt:

Heligröße bzw. Länge der Rotorblätter

  • je länger die Rotorblätter, umso geringer ist die maximal zulässige Rotordrehzahl

Flugstil

  • bei einem Heli der 600er Klasse genügen für einfachen Schwebflug 1400 - 1500 U/min, für härteren 3D Kunstflug benötigt man dagegen Drehzahlen jenseits der 2000 U/min
  • der Luftwiderstand der Rotorblätter steigt im Quadrat zur Drehzahl, der Energieverbrauch des Antriebs steigt somit überproportional und die maximale Flugzeit nimmt ab

Abfluggewicht

  • für höhere Abfluggewichte benötigt man auch mehr Auftrieb - diesen bekommt man durch Drehzahl und Blattanstellwinkel
  • wenn der Blattanstellwinkel im Schwebflug schon sehr hoch ist, dann hilft eine Erhöhung der Drehzahl im zulässigen Rahmen

Typ, Material und Qualität der Rotorblätter

  • es gelten die Vorgaben des Herstellers bezüglich der maximal zulässigen Drehzahl,
  • guten Rotorblättern liegt immer ein Beipackzettel bei, auf dem die maximal zulässige Rotordrehzahl angegeben ist

Anzahl der Hauptrotorblätter

  • bei gleicher Drehzahl erzeugen mehr Blätter auch mehr Auftrieb - daher können Mehrblattköpfe meist mit geringerer Drehzahl betrieben werden