Warum regelt ein Hubschrauber die Höhe nicht über die Motorleistung?
Hubschrauber regulieren ihre Höhe, indem sie ihre Rotorblätter steiler oder flacher stellen. Dadurch ist der Auftrieb höher oder geringer.
Dies erfolgt mit dem kollektiven Steuerhebel. Mit dem zyklischen Steuerknüppel wird der Hubschrauber gelenkt, indem die Taumelscheibe geneigt wird.
Die Drehzahl des Hauptrotors ist eigentlich immer konstant.
Fragt man sich nur: Warum eigentlich? Warum lässt man zum Sinken nicht den Rotor langsamer laufen?
Das wäre doch viel energiesparender, als einfach die Drehzahl beizubehalten und die Rotorblätter so zu verstellen, dass sie die Luft "schneiden", statt Auftrieb zu erzeugen.
Warum macht man es dennoch so und nicht über die Rotor-/Motordrehzahl? Und warum hat der Hubschrauber trotzdem einen Gasdrehgriff am Pitchhebel (Collective)?
13 Antworten
Das tut er doch trotzdem. Wenn die Blattwinkel steiler werden, steigt auch das notwendige Drehmoment, um die Drehzahl beizubehalten, also muss mehr Motorleistung aufgewendet werden.
Eine Erhöhung der Drehzahl kommt nicht in Frage, denn die Rotorspitzen bewegen sich ob ihres großen Bahnumfanges bereits in einem kritischen Geschwindigkeitsbereich.
Vorsicht: "Drehzahl" und "Leistung" sind zwei unterschiedliche Dinge! Das kennst du vom Auto, wo du im Leerlauf den Motor mit sehr geringem Druck aufs Gaspedal schon ziemlich hoch drehen lassen kannst... was nicht geht, wenn Last an der Kurbelwelle ist.
Beim Hubschrauber hat man gar nicht so viele Möglichkeiten... einmal hat der Rotor eine Rotationsträgheit, würde also recht langsam drauf reagieren wenn du seine Drehzahl ändern möchtest. Ein vorsichtiges Rangieren 1-2 m über dem Boden könntest du vergessen. Zweitens kann man die Drehzahl nicht unbedingt erhöhen, wenn man mehr Leistung braucht - die Rotorspitzen dürfen nicht schneller als Schallgeschwindigkeit werden, also hast du eine ziemlich strikte Drehzahlbegrenzung.
Einen Motor mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen zu lassen, ist auch nicht energiesparend. Sondern jeder Motor (auch E-Motoren!) hat eine Drehzahl, bei der er besonders effizient funktioniert... und wenn du eine höhere oder niedrigere Drehzahl wählst, verlierst du an Effizienz. Zumal auch hier: Turbinen, also die Art Motor mit der Hubschrauber zumeist angetrieben werden, sind eher träge bei der Veränderung der Drehzahl. Deshalb eignen sich Turbinen auch nicht als Antrieb für Autos.
Wenn du dagegen die Drehzahl konstant hältst und nur den Anstellwinkel der Blätter veränderst, stören dich die Rotationsträgheiten von Rotors und der Turbine nicht. Diese Verstellung geht sehr schnell.
Zumal du die Taumelscheibe als technische Einrichtung ja sowieso brauchst, um den Hubschrauber seitlich und längs zu kippen. Warum nicht das, was ohnehin schon vorhanden ist, auch zu weiteren Zwecken verwenden?
Und warum hat der Hubschrauber trotzdem einen Gasdrehgriff am Pitchhebel (Collective)?
Weil Drehzahl nicht gleich Leistung ist ;)
Wenn du die Rotorblätter steiler anstellst, erhöht sich natürlich ihr Luftwiderstand und die Rotordrehzahl verlangsamt sich. Dann musst du mehr Treibstoff in die Turbine spritzen, damit sie mehr Leistung bringt und die Drehzahl eben nicht absinkt.
Das gab es. https://de.wikipedia.org/wiki/Chrysler_Turbine_Car War aber nichts, was wirklich sinnvoll zu nutzen war...
Des weiteren gibt es SPaßklamotten, habe mal einen Golf Caddy gesehen,d er hinten eine Turbine drauf hatte, auf einem Flugtag... Lustige Sache, aber nix für den Straßenverkehr.
Man kann aber auch ein Turbinenmotorrad kaufen
Man kann ja auch in Hill Climb Racing eine Gasturbine in sein Auto einbauen.
Ja, das ist ein gutes Argument, weil Videospiele dafür bekannt sind, sich exakt an die Realität zu halten...
So wie in Hill Climb Racing würde man im realen Leben ja auch nicht fahren.
(hoffentlich)
Effizienz ist bei Turbinen eher nicht das Problem - die erreichbaren Wirkungsgrade sind höher als bei Kolbenmotoren. Wenn man denn eine einigermaßen konstante Leistung abfordert ;)
Aber stelle dir mal vor, du drückst an deinem Turbinenauto am Ortsausgang aufs Gaspedal, nach 10 Sekunden bekommst du endlich den vollen Schub und wenn du an der nächsten Kurve das Gaspedal loslässt und langsamer werden willst, hast du noch 10 Sekunden lang Leistung an den Rädern...
und wenn du an der nächsten Kurve das Gaspedal loslässt und langsamer werden willst, hast du noch 10 Sekunden lang Leistung an den Rädern...
Gang rausnehmen.
Zugegeben, es ist in der Tat unpraktisch und nur ein Gedankenspiel.
Oder die Leistung konstant lassen (Pedal auf Vollgas arretieren) und die Leistung über die Kupplung regulieren. Klingt blöd, ist auch blöd, würde aber theoretisch funktionieren. (na ja, eine Zeit lang...)
Erstens hat der Hauptrotor eine Masse und einen hohen Drehimpuls, das zu ändern hat Auswirkung auf den ganzen Hubi, zweitens ist eine Anstellwinkeländerung sehr viel schneller gemacht als eine Drehzahländerung.
Bei Modellhubis kann man mit verschiedenen Drehzahlen, die aber immer konstant bleiben, fliegen, je schneller, desto agiler wird der Hubi.
Es gibt vor allem billige Modellhelis mit Drehzahlsteuerung, fliegen sich unkomfortabel.
Im übrigen verbraucht ein Motor bel gleicher Drehzahl auch dann weniger Sprit, wenn die Rotoranstellwinkel klein bis Null sind im Vergleich zu steilerem Winkel.
Gilt auch für Wellenturbinen und E-Motoren.
Mit Leistung hat es wenig zu tuen, du schreibst aber richtig: Drehzahl. Je nach Anstellwinkel wird natürlich mehr oder weniger Leistung abgerufen.
Die Rotoren müssten in Bewegung sein, um Auftrieb zu erzeugen. Würden sie stehen bleiben, fällt der Hubschrauber wie ein Stein. Selbst bei Motorausfall kann man noch steuern, aber die Rotoren müssen sich drehen (Autorotation). So ist eine sichere Landung auch bei Motorausfall möglich.
Rotorblätter sind haben einen Querschnitt wie ein Flugzeug, Auftrieb erzeugt ein Tragfläche aber nur ab einer gewissen Mindesgeschwindigkeit, darunter reisst die Strömung ab und der Auftrieb fällt schlagartig weg.
Rotoren haben nur das Problem, dass die Geschwindigkeit vom Radius abhängt. Erst in einem bestimmten Abstand zur Achse gibt es Auftrieb bei einer bestimmten Drehzahl, sinkt die Drehzahl, wandert der Strömungsabriss nach aussen, der Auftrieb fällt unverhältnismässig ab, darum die Mindestdrehzahl. Dann gibt es eine weitere Grenze für den Konstrukteur: die Schallgeschwindigkeit. Zu schnell drehende und von der Konstruktion zu lange Rotorblätter würden an der Spitze die Schallgeschwindigkeit erreichen. Noch komplizierter wirds bei schnellem Vorwärtsflug, da ist bei im Uhrzeugersinn drehenden Rotoren die Aussengeschwindigkeit rechts langsamer, und links schneller weil man v0 (vorwärtsgeschwindigkeit) addieren oder subtrahieren muss. Was bleibt ist ein recht kleiner Drehzahlbereich in dem ein Drehflügler funktioniert.
Heißt das auch, dass ein Hubschrauber niemals Schallgeschwindigkeit erreichen kann, weil sich der Rotor dann nicht mehr drehen könnte?
ja .. keine Chance, nicht mal 500km/h sind erreichbar. Weltrekord glaube ich 470. Wenn links die Schallgeschwindigkeit erreicht würde, wäre das nicht beherrschbar. Überschallflugzeuge haben ein ganz anderes Profil, und die Änderung der Aerodynamik ist ein beherrschbarer aber signifikanter Übergang (das Druchbrechen der Schallmauer). Und darunter sind die ziemlich unwirtschaftlich.
die Spitze eines Rotorblatts würde aber dann z.B. 10x pro Sekunde die Schallmauer berühren. Also auch keine Option auf dem letzten Meter ein anderes Profil zu verwenden.
Genau.
Rotoren sind auch nicht starr gelagert, das jeweils hinlaufende Rotorblatt kriegt mehr auftrieb, geht also nach oben, im Gegensatz zum Rücklaufenden Blatt. Auch will das hinlaufende Blatt "zurück bleiben". Daher sind Rotorblätter nicht starr mit der Rotorachse verbunden, sondern elastisch. Die richtige Mischung aus Nachgiebigkeit und Starrheit zu finden, ist nicht einfach.
Was würde denn passieren, wenn ich den Hubschrauber "künstlich" über die Schallgeschwindigkeit bringe, z.B. mit Raketen?
Wird er dann auf die Erde plumpsen wie ein Stein, weil sich der Rotor nicht mehr drehen kann?
Und vor allem: Würde die Überschallgeschwindigkeit den Rotor zerstören/verformen/abbrechen, oder würde er einfach nur stehen bleiben?
Hab's noch nicht probiert ;--) , daher kann ich auch nur spekulieren: Das hinlaufende Rotorblatt erreicht erst an der Spitze, dann auch bei steigender Geschwindigkeit weiter innen bereits Überschallgeschwindigkeit, es erfolgt damit ein Strömungsabriss, der Auftrieb verringert sich.
Aus dem rücklaufenden Rotorblatt wird irgendwann auch ein quasi hinlaufendes Rotorblatt, vorher hat es zur Luftgeschwindigkeit bezogen keine Geschwindigkeit mehr - nix Auftrieb mehr.
Ich würde sagen, der Hubi erreicht auch mit Raketen statt der Schallgeschwindigkeit vorher den Boden... Ob die Rotorblätter bzw. deren zyklische Steuerung nicht schon vorher kaputt gehen, hängt vielleicht sehr vom Hubi ab: Ein Tiger, dessen Rotorkopf ja für hohe Belastung ausgelegt ist, wird besser halten als der eines kleinen Zweisitzers.
Mal nur eine Vermutung: wenn die Blatter sehr flach gewinkelt sind haben diese kaum Windwiederstand, wodurch der Motor weniger leisten muss und so Sprit spart. Winkeln sich die Blätter für optimalen Auftrieb wird der Windwiederstand deutlich höher sein wodurch der Motor mehr Last hast.
Gab es nicht irgendwann mal 1 Auto mit Gasturbine?