Physikalische Grundlagen

Warum fliegt ein Hubschrauber

Dem Hubschrauberflug liegen die selben physikalischen Umstände zugrunde, die auch für ein Flächenflugzeugs gelten, nur dass sich bei einem Hubschrauber die Tragflächen um die Rotorachse drehen, und der Hubschrauber somit auch auf der Stelle stehen kann.

Die Tatsache, daß ein Flugzeug (und somit auch ein Hubschrauber) fliegen kann läßt sich durch das Rückstoß-Prinzip erklären. Die Tragflächen beschleunigen Luftmasse nach unten und erzeugen dadurch eine entgegengesetzte ( nach oben gerichtete ) auf das Fluggerät wirkende Kraft.

Am Hubschrauber wird dies besonders deutlich wenn die "Tragflächen" im Schwebeflug auf der Stelle kreisen.

Die Tatsache das Tragflächen (gegenüber der Anströmung unsymmetrische Quertriebskörper, z.B schräge Platten) Luft nach unten beschleunigen beruht darauf, dass die Luft auf der Oberseite weitgehend der Oberfläche folgen muß. Sonst würde dort nämlich ein Vakuum entstehen. Dieser Sog treibt fortwährend einen Wirbel um die Tragfläche an, der von dieser, unter Überwindung von Widerstand, durch die ruhende Luftmasse getrieben wird. Das Vorantreiben des Wirbels erfolgt dabei mit höherer Geschwindigkeit als die der Wirbelströmung. Die Wirbelströmung überlagert sich vom Standpunkt der Tragfläche gesehen dem "Fahrtwind" und läßt resultierend die Luft an der Tragflächenhinterkante schräg nach unten abströmen. Auf Grund der Impulserhaltung ensteht zu Beginn des Vorgangs ein Gegenwirbel, der sogenannte Anfahrwirbel. Wenn nämlich die gegenüber der Anströmung unsymmetrische Tragfläche ihre Bewegung beginnt schlägt zunächst die Luft von der Hinterkante in das "drohende" Vakuum auf der Oberseite. Diese rotierende Luftmasse ( in Richtung auf den Sog beschleunigte Luftmasse ) kommt jedoch nicht dort an wo sie hin beschleunigt wurde, weil die Tragfläche und somit der Sog schon ein Stück weiter sind, sondern bleibt am Boden zurück. Der Wirbel um die Tragflächen hört natürlich nicht an den Tragflächenenden abrupt auf. Vielmehr setzt sich der Drall in Form eines Wirbelzopfes in der Luft hinter dem Durchgang der Tragfläche fort. Beim auf der Stelle sinkenden Hubschrauber können sich diese Wirbelzöpfe zu einem großen Wirbelring in Form eines Rauchrings vereinigen, der schließlich den ganzen Rotor erfassen und diesen unsteuerbar machen kann.

(Die Tatsache, daß ein Flugzeug (und somit auch ein Hubschrauber) fliegen kann, lässt sich anhand der Gleichung von Bernoulli erklären.

In diesem Fall fliesst aber nicht eine Flüssigkeit durch eine Röhre, sondern Luft umströmt eine Tragfläche mit einem Profil. Dadurch, dass der Weg der Luft über das Profil weiter ist, als unter dem Profil, sinkt der Luftdruck auf der Oberfläche, ein Sog entsteht.

Zusätzlich spielt der Anstellwinkel (angle of attack) der Tragfläche im Wind auch eine Rolle, aber grundsätzlich kann man sagen, dass ca. 70% des Auftriebs auf der Oberseite einer Tragfläche erzeugt werden.)

Steuerung der Flughöhe

Die Bewegung des Helis auf der Hochachse wird durch die gleichzeitige Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter (Kollektive Blattsteuerung) erreicht.

Für den Modell-Heli wird i.A. ein Pitchbereich von +11° bis -11° genutzt; der Schwebepitch liegt bei ~4-5°.

Bodeneffekt

Der Bodeneffekt tritt bei jedem Fahrzeug auf, das einen Luftstrom gegen den Boden richtet. Der Luftstrom wird dabei vom Boden reflektiert und wirkt dem abwärts gerichteten Luftstrom entgegen.

Er tritt bei jedem Hubschrauber auf, nur die Auswirkungen sind unterschiedlich: sie sind in Bodennähe schwerer zu steuern als in größerer Höhe. Das beste Beispiel ist wohl der Piccolo, wenn er in Bodeneffektflughöhe fliegt, ist er sehr schwer bis gar nicht zu steuern. Man kann dies sehr gut beobachten, wenn man mit leerem Akku oder einem völlig untermotorisierten Hubschrauber in Bodennähe schwebt, der Hubschrauber kommt einfach nicht über eine bestimmte Höhe hinaus, egal wieviel Pitch man gibt. Es ist auch noch ein weiter Effekt zu bemerken: der Hubschrauber wird beim Abstieg aus größerer Höhe vom Bodeneffektluftpolster regelrecht "aufgefangen".

Als Faustregel kann gelten, daß der Bodeneffekt von einem bis zwei Rotordurchmesser(n) Flughöhe und darunter zu bemerken ist.

Genauerweise muss man sagen, dass es einen Bodeneffekt auch bei Flächenflugzeugen gibt. Hierbei wird der induzierte Widerstand durch die Nähe des Bodens teilweise aufgehoben. Dieser Widerstand ergibt sich aus den spiralförmigen Wirbelschleppen, die durch Ausgleichen des Druckunterschieds von Flächenunterseite nach -oberseite über die Flächenspitzen hinweg entstehen. Durch den geringeren Widerstand im Bodeneffekt gleiten Flugzeuge in Bodennähe besser.

Weblinks

• Wikipedia:Hubschrauber