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Notverfahren

Autorotation

Um die Anströmung am Rotorblatt sicherzustellen, muss der Rotor immer angetrieben werden. Was geschieht aber wenn der Antrieb - aus welchen Gründen auch immer - ausfällt?

Da die Rotorblätter im Vorwärtsflug durch die kollektive Blattverstellung einen relativ grossen Anstellwinkel aufweisen und dadurch auch einen entsprechend grossen Luftwiderstand produzieren, fällt die Drehzahl des Rotors ohne Antrieb rapid ab. Dadurch geht selbstverständlich auch der notwendige Auftrieb verloren und der Hubschrauber stürzt innerhalb kurzer Zeit ab.

Das tönt zum Glück viel dramatischer als es in Wirklichkeit ist. Was bei einem Flächenflugzeug der Gleitflug ist, ist beim Hubschrauber die Autorotation. Fällt bei einem Hubschrauber während dem Flug der Antrieb aus, wird der Pilot sofort den kollektiven Blatteinstellwinkel verringern und der Hubschrauber beginnt zu sinken. Gleichzeitig wird, bedingt durch den kleineren Anstellwinkel der Luftwiderstand an den Rotorblättern wesentlich verringert.

Wie wir links sehen können, wird der Rotor nun nicht mehr von oben nach unten, sondern von unten nach oben durchströmt. Durch die aerodynamischen Verhältnisse, welche wir noch etwas detaillierter betrachten werden, kann in diesem Zustand die Rotordrehzahl konstant gehalten werden.

 

 

Um die Vorgänge in der Autorotation zu erklären, dürfen wir nicht wie bisher den Rotor als Scheibe betrachten, sondern müssen die Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt untersuchen. Und dazu schauen wir zuerst den Zustand im angetriebenen Vorwärtsflug an. Bei einem Flugprofil wirkt der Auftrieb immer senkrecht zur Anströmung und der Luftwiderstand in der gleichen Ebene wie die Anströmung.

 

Da bei einem Hubschrauber die Anströmung aus einer horizontalen (Drehung des Rotors) und einer vertikalen Komponente (Luftdurchsatz von oben oder unten) besteht, sprechen wir beim Rotorblatt von einer relativen Anströmung. Da sich das Rotorblatt nach aussen hin mit einer grösseren Geschwindigkeit bewegt, die vertikale Komponente aber mehr oder weniger konstant bliebt, ändert sich die relative Anströmung konstant über die ganze Länge des Rotorblattes. Aus diesem Grund gilt die Skizze nur für einen kleinen Bereich am Rotorblatt. Auch der Anstellwinkel (Winkel zwischen der Profilsehne und der relativen Anströmung) ändert sich über die Länge des Rotorblattes und zwar nimmt der Anstellwinkel nach aussen hin ab.

In der Autoration kann der Rotor in drei Bereiche unterteilt werden. Der Einfachheit halber schauen wir zuerst die senkrechte Autoration an, das heisst der Hubschrauber befindet sich im senkrechten Sinkflug.

 

In der senkrechten Autorotation sind die Bereiche symmetrisch über die Rotorscheibe verteilt. Dabei ist nur der antreibende Bereich für die Drehung des Rotors verantwortlich. In der Nähe des Zentrums ist die Anströmgeschwindigkeit so klein, dass sich die Rotorblätter im Strömungsabriss befinden. Um zu erklären wie diese Bereiche zustande kommen müssen wir die aerodynamischen Verhältnisse am einzelnen Rotorblatt etwas genauer untersuchen.

Im antreibenden Bereich liegen die aerodynamischen Gesamtkräfte vor der Rotationsachse des Rotors. Dadurch ergibt sich eine Kraft welche den Rotor antreibt.

 

Liegen die aerodynamischen Kräfte genau auf der Rotationsachse bleibt die Drehgeschwindigkeit konstant.

 

Im bremsenden Teil liegen die Gesamtkräfte hinter der Rotationsachse, was bedeutet das der Rotor abgebremst wird.

 

Alle Hubschrauber sind so konstruiert, dass sich ein Gleichgewicht zwischen dem antreibenden und dem bremsenden Teil ergibt. Dieses Gleichgewicht muss vom senkrechten Sinkflug bis zu einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit sichergestellt sein. Einige Hubschrauber sind während der Autorotation in der maximalen Vorwärtsgeschwindigkeit eingeschränkt. Das kommt daher, weil sich der antreibende Teil mit zunehmender Geschwindigkeit verschiebt (siehe unten). Diese Verschiebung erfolgt immer in Richtung des rücklaufenden Blattes.

Wird die Vorwärtsgeschwindigkeit in dieser Situation nochmals erhöht, verschiebt sich der antreibende Bereich weiter nach rechts, was schlussendlich dazu führt, dass der bremsende Teil grösser als der antreibende wird und dadurch die Rotordrehzahl nicht mehr konstant gehalten werden kann. In der Regel wird eine Autorotation immer mit einer bestimmten Vorwärtsgeschwindigkeit geflogen. Um eine sichere Landung sicherzustellen muss diese Geschwindigkeit soweit möglich reduziert werden. Dies wird mit dem so genannten Flare erreicht. Kurz über dem Boden nimmt der Pilot die Nase nach oben, wodurch das Sinken reduziert wird und die Geschwindigkeit abnimmt. Durch dieses Abbremsen kann vom Rotor noch mehr Energie aufgenommen werden (die Drehzahl wird erhöht) und der Hubschrauber kann eine fast normale Landung durchführen. Dies tönt sehr einfach, ist aber für den Piloten ein anspruchsvolles Manöver.

 

Vortex

Während dem stabilen Schwebeflug wird wie bereits beschrieben die Luft von oben nach unten durch den Rotor beschleunigt. Der Luftdurchsatz ist über die Länge des Rotorblattes nicht konstant.

 

Der Vortex oder Wirbelringzustand entsteht bei einem Hubschrauber wenn sich dieser im Schwebeflug oder langsamen Vorwärtsflug, mit einer grossen Sinkgeschwindigkeit befindet. Die Sinkgeschwindigkeit muss sich in einem Bereich von mehr als 500 ft/min (2,5 m/sec) und die Vorwärtsgeschwindigkeit unterhalb der so genannten Transitionszone befinden. Zusätzlich muss der Rotor durch den Antrieb angetrieben werden. Diese Verhältnisse sind vor allem während einem steilen Landeanflug mit Rückenwind gegeben.

Durch die Sinkgeschwindigkeit entsteht ein Luftströmung welche dem Downwash entgegen wirkt.

 

Dadurch wird im inneren Bereich der Rotorebene die Luft zwar von oben nach unten beschleunigt, aber durch die Luftströmung von unten gleich wieder zurück nach oben befördert.

 

 

Die Luft wird erneut von oben angesogen und so entsteht ein in sich geschlossenes System, der Vortex oder Wirbelringzustand. In diesem Zustand beginnt der Hubschrauber noch stärker zu sinken, auch wenn die Leistung erhöht wird. Zwar ist der Hubschrauber nach wie vor steuerbar, aber es treten zum Teil starke Vibrationen auf.

 

Der Vortex kann grundsätzlich auf zwei Arten beendet werden: Bei der ersten Möglichkeit geht man in den Vorwärtsflug über, da der Downwash im Vorwärtsflug nach hinten abgeleitet wird, kann dadurch der Rotor mit "neuer Luft" von oben versorgt werden. Diese Variante muss angewendet werden, wenn der Vortex in Bodennähe, beispielsweise während einem Landeanflug auftritt. Als zweite Möglichkeit kann man in die Autoration übergehen, wodurch der Luftdurchsatz von oben nach unten fehlt und der Rotor nur noch von unten nach oben durchströmt wird (wie bei einer normalen Autoration). In jedem Fall muss der Pilot beim Auftreten des Vortex sehr schnell reagieren, da durch die enorme Sinkgeschwindigkeit die Flughöhe unter Umständen zu gering ist, um den Vortex zu beenden.

dieses Dossier wurde entworfen von www.hubschrauber.li