Rotorsteuerung für einen Hubschrauber Die Erfindung bezieht sich auf die Rotorsteuerung für einen Hubschrauber, und insbesondere auf einen verhältnismässig kleinen und einfachen Hubschrauber zum Tragen von einer oder zwei Personen.
Bekannte moderne Hubschrauber besitzen einen komplizierten und kostspieligen Aufbau, was hauptsäch lich auf den angelenkten Rotorblättem beruht, welche notwendigerweise verwendet werden müssen, um einen gesteuerten Flug dieser Hubschrauber zu ermöglichen. Die Drehflügel oder Rotoren dieser bekannten Hub schrauber weisen eine zentrale Nabe auf, von welcher sich eine Mehrzahl von Rotorblättern radial nach aussen erstrecken.
Normalerweise ist jedes Blatt mit der Nabe durch eine komplizierte Anordnung von Schwenkgelen ken oder Scharnieren verbunden, welche ein Verschwen- ken des Blattes um seine Längsachse sowie ein Schwin gen um eine in der Drehebene des Blattes, jedoch senkrecht auf seiner Längsachse stehende Achse ermögli chen.
Das allgemein bei solchen Hubschraubern verwendete Steuersystem wird zyklische oder Feder- bzw. Verstell steuerung genannt. Bei solchen zyklischen Steuersyste men wird der Anstellwinkel bzw. die Steigung jedes Rotorblattes, d.h. der Winkel zwischen der Nullauftriebs linie des Blattes und seiner Drehebene, durch Verschwen- ken des Blattes um seine Längsachse während dessen Bewegung durch einen Drehkreis von 360 verändert. Beispielsweise wird beim Vorwärtsflug der bekannte Hubschrauberrotor durch die Schwenkbewegung der Blätter um ihre oben genannten senkrechten oder Normalachsen nach vorne geneigt, um eine nach vorne gerichtete Komponente der Auftriebskraft der Blätter zu erzeugen.
Wenn die Drehebene des Hubschraubers so aus der Horizontalen geneigt ist, muss der Winkel jedes Blattes in bezug auf die Drehebene daher über den ganzen Drehzyklus verändert werden. Das Ergebnis dieser zyklischen Steuerung ist eine Verminderung des Winkels des vorwärts in die relative Luftströmung hinein bewegten Blattes in bezug auf die Drehebene und eine Vergrösserung dieses Winkels eines rückwärts bewegten oder zurückgehenden Blattes. Der vertikale Flug von bekannten Hubschraubern wird durch gleichzeitige Veränderung des Anstellwinkels aller Blätter gesteuert, was allgemein als kollektive Anstellwinkel- oder Steigungssteuerung bezeichnet wird.
Die azimutale Steuerung oder Steuerung um die Hochachse wird bei Hubschraubern mit einem einzigen Hauptrotor gewöhnlich durch Veränderung des Anstell- winkels und daher des Schubes eines kleinen Gegendreh momentrotors bewirkt, welcher am Ende des Hubschrau bers befestigt ist. Bei Hubschraubern mit zwei hinterein- anderliegenden, sich entgegengesetzt drehenden Hauptro toren wird eine Steuerung um die Hochachse üblicher weise durch unterschiedliche Neigung der Drehebenen der Hauptrotoren in bezug auf ihre Wellen erzielt, so dass der Unterschied der seitlichen Neigung zwischen den beiden ein Drehmoment auf den Hubschrauberrumpf ausübt.
Lediglich eine Verminderung der Grösse des kom pliziert angelenkten Rotorsystems bei Verwendung einer zyklischen Steuerung bewirkt keine beträchtlichen Ver minderungen des Gewichts und kann die Kosten eines kleinen Hubschraubers sogar beträchtlich erhöhen. Es ist daher notwendig, bei der Erzeugung eines kleinen Hubschraubers mit vernünftigem Preis eine wesentlich einfachere Rotorkonstruktion und einfachere Steuerver fahren anzuwenden.
Das einfachste Rotorsystem weist feste Rotoren auf, bei welchen die Blätter fest mit der Rotornabe verbunden sind. In diesem Zusammenhang wird bemerkt, dass der Ausdruck fest>> eine Konstruktion bedeuten soll, bei welcher die Rotorblätter nicht zur Ausführung einer Schwenkbewegung in bezug auf die Rotornabe angelenkt sind.
Es treten bei dem Bau eines kleinen Hubschraubers mit einem Rotorsystem mit festen Blättern zwei grund sätzliche Überlegungen auf. Die erste Überlegung betrifft die Fähigkeit der Rotoren, bei Antriebsabschaltung in Autorotation überzugehen, um ein sicheres Sinken des Hubschraubers im Fall des Motorausfalls zu gewährlei sten. Die zweite Überlegung betrifft die Steuerung der Flugrichtung des Hubschraubers in vertikaler und hori zontaler Richtung.
Die erfindungsgemässe Rotorsteuerung für einen Hubschrauber mit einer am oberen Ende einer Rotoran- triebswelle mit ihr festverbundenen Nabe und einer Anzahl von dieser Nabe radial abstehender langgestreck- ter, in einer Ebene angeordneter Rotorblätter ist gekenn zeichnet durch eine mit dem Rotorblatt fluchtende und mit diesem starr verbundene, zwischen seiner innern Endpartie und der gerannten Nabe angeordnete Verbin dungseinrichtung,
welche das genannte Rotorblatt unter einem bestimmten festen Anstellwinkel zur Rotorebene trägt, wobei diese Verbindungseinrichtung um eine Federungsachse beschränkt elastisch verdrehbar ist, die im wesentlichen in Längsrichtung in Querschnittsmitte des Blattes verläuft, und eine jedem Blatt zugeordnete Gegengewichtssteueranordnung, die mit dem Blatt um läuft und das Blatt nach Massgabe von an der genannten Steueranordnung auftretenden Störkräften um die ge nannte Federungsachse verdreht.
Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielswei se näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Schrägansicht eines kleinen Hubschrau bers, Fig. 2 eine vergrösserte Seitenansicht des Rumpfteiles des in Fig.1 dargestellten Hubschraubers, wobei die Aussenhaut weggelassen ist, um die inneren Einzelheiten zu zeigen, Fig.3 eine vergrösserte Seitenansicht des vorderen Teiles des Hubschrauberrumpfes, gesehen von der entgegengesetzten Seite wie in Fig. 2,
Fig.4 eine Draufsicht auf einen der Rotoren des in Fig.l dargestellten Hubschraubers mit einer schemati schen Darstellung der Wirkung einer Steuer-Gegenge- wichteinrichtung an den Blättern, Fia.5 einen stark vergrösserten Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig.4 in drei Viertel der Länge eines der Hubschrauberblätter, Fig.6 eine stark vergrösserte Draufsicht auf die Rotornabe und einen Teil eines der Blätter gemäss Fig. 4,
Fig.7 eine Seitenansicht der in Fig.6 dargestellten Rotornabe und den oberen Endteil der zugehörigen Welle und Steuereinrichtung, Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie 8-8 in Fig. 6, Fig. 9 eine seitliche Endansicht des inneren Endes eines der Rotorblätter und eines Teiles der zugehörigen Steuereinrichtung gemäss der Linie 9-9 in Fig. 7, Fig. 10 einen vergrösserten Schnitt längs der Linie 10-10 in Fig. 7,
Fig. 11 eine vergrösserte Seitenansicht der Antriebs verbindung des vorderen Rotors, gesehen von der gleichen Seite wie Fig. 3 und teilweise abgebrochen, um die inneren Bauteile zu zeigen, Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie l2-12 in Fig. 3 und Fit. 13 eine halbschematische Ansicht eines Gleich- -ewichts-und Steuer-Gelenkmechanismus, welcher mit dem Steuermechanismus gemäss Fig. 7 verbunden ist.
Der in Fia. 1 in einer vereinfachten Skizze dargestellte Hubschrauber besteht allgemein aus einem langgestreck- ten Rumpf 1 mit einem vorderen und rückwärtigen Rotorwellenmast 2 bzw. 3, welche vom Rumpf nach oben stehen, wobei der Rumpf auf einem üblichen Dreirad-Fahr,Qestell mit einem Stirnrad 4 und Haupträ dern 5 steht. In den Masten 2 bzw. 3 sind Rotorwellen 6 bzw. 7 gelagert und stehen aus diesen nach oben, wobei an den oberen Enden derselben gleiche Rotoren 8 bzw. 9 befestigt sind.
Wenn der nachstehend beschriebene Hubschrauber in seiner normalen Lage auf dem Boden steht, verlaufen die Wellen 6 und 7 allgemein vertikal und die Rotoren 8 und 9 sind allgemein in horizontalen Ebenen drehbar gelagert. Die Rotorwellen 6 und 7 weisen einen solchen Abstand auf, dass die Rotoren 8 und 9 jeweils Kreisflächen überstreichen, die sich in einem mittleren, zwischen den beiden Wellen gelegenen Bereich überlappen. Vorzugs weise sind die Drehebenen der Rotoren 8 und 9 vertikal gegeneinander versetzt, um die Möglichkeit der gegensei tigen Störung der Rotoren zu vermindern.
Der Hubschrauberrumpf besteht aus einem Hauptge- häuserahmen 12 (Fig.2), der aus Streben aus Alumi niumrohr oder dergleichen hergestellt ist und das stromlinienförmige Gehäuse 13 (Fig. 1) trägt, welches die Hülle oder Kabine für den Piloten und seinen Mitfahrer bildet. Der in Längsrichtung verlaufende Hauptteil des Rahmens 12 ist schmal genug, damit der Pilot und sein Mitfahrer rittlings über demselben auf dem Sitz 14 (Fig.2) sitzen können, wobei ihre Füsse auf den Fussstützen 15 ruhen. Es wird bemerkt, dass der Pilot zwischen den Schaftteilen 2, 3 des Rumpfrahmens 12 sitzt.
Der Rahmen 12 trägt weiter den Motor 16, welcher durch einen Riemenantrieb 17 mit der Hauptantriebswel le 18 gekoppelt ist, die sich in Längsrichtung des mittleren Rumpfteiles erstreckt. Die Antriebswelle 18 ist durch ein vorderes und rückwärtiges rechtwinkliges Zahnradgetriebe 19 bzw. 20 mit den Rotorwellen 6 bzw. 7 gekoppelt, um die hintereinanderliegenden Rotoren anzutreiben.
Die verschiedenen Bestandteile des Hubschraubers sind so verteilt, dass der Schwerpunkt 22 (Fig.2) der zusammengesetzten Masse des Hubschraubers und seiner Besatzung auf der wirksamen Schubmittellinie der Rotoren angeordnet ist. Wenn daher der Pilot seinen Sitz einnimmt, verschiebt die Bewegung des Schwerpunkts seines Körpers den zusammengesetzten Schwerpunkt des Hubschraubers in bezug auf den tatsächlichen Schub- oder Druckmittelpunkt. Es wird bemrekt, dass der Mittelteil des Rumpfes 1 leicht nach hinten und unten geneigt ist, wenn die Hubschrauber in seiner normalen Boden- oder Schwebestellung gehalten wird, wobei die Rotorwellen 6, 7 allgemein vertikal verlaufen.
Wie noch ausführlicher erläutert wird, ist die Stellung des Mitteltei les des Rahmens 12 und des Sitzes 14 bei normalem Vorwärtsflug des Hubschraubers allgemein horizontal, wobei die Rotorwellen <B>6,7</B> vorne geneigt sind.
Der Motor 16 kann von jeder geeigneten, luftgekühl ten Art sein, wie sie üblicherweise bei leichten Luftfahr zeugen verwendet wird, und wird an seinem rückwärtigen Ende auch einer in Querrichtung verlaufenden Schwenk achse 25 (Figuren 2, 3) gehalten, welche am Rahmen 12 beispielsweise mittels Stützen 26 gelagert ist. Diese Lagerung ermöglicht, dass das vordere Ende des Motors 16, welches die Antriebsscheiben 27 des Riemenantriebs 17 trägt, auf die Hauptantriebswelle 18 zu und von dieser weg schwingt.
Die Hauptantriebswelle trägt Riemenscheiben 28, welche mit den Scheiben 27 durch mehrere Keil-Riemen 29 verbunden sind. Wenn das vordere Ende des Motors 16 sich in seiner unteren Stellung befindet, hängt sein Gewicht in den Riemen 29 und die Kraft des Ge stänges 31, 32 greift mit den Rollen 27, 28 an den Riemen ein, so dass der Motor zum Antrieb der Hauptwelle 18 eingekuppelt ist.
Das vordere Ende des Motors 16 kann durch ein allgemein mit 30 (Fig. 3) bezeichnetes Riemenlockerungs- Gestänge angehoben werden welches ein allgemein vertikal verlaufendes Gelenk 31 aufweist, das am vorderen Ende des Motors 16 schwenkbar angelenkt ist.
Das andere Ende des Gelenks 31 ist an einem Betätigungshebel 32 beispielsweise durch einen Schwenk zapfen 33 angelenkt. Ein Schwenkzapfen 34 dient zur schwenkbaren Verbindung des Hebels 32 mit dem Hauptrahmen 12 an einer von Schwenkzapfen 33 entfernten Stelle, so dass beim Anheben des Hebels 32 in seine obere Stellung, welche durch die strichpunktierte Linie 35 angedeutet ist, der Schwenkzapfen 33 und dadurch das Gelenk 31 und das vordere Ende des Motors 16 in eine obere Stellung angehoben werden, in welcher die Riemen 29 in bezug auf die Scheiben 27, 28 locker sind und die Antriebsverbindung zwischen dem Motor 16 und der Antriebswelle 18 unterbrochen ist.
Es wird bemerkt, dass während dieser Auskupplung zum Starten des Motors ohne Belastung sich der Schwenkzap fen 33 in bezug auf den Schwenkzapfen 34 nach rückwärts und oben bewegt. Wenn sich der Motor in der unteren Stellung befindet, liegt der Schwenkzapfen 33 vorzugsweise etwas vorderhalb des Schwenkzapfens 34, um das Zurückhalten des vorderen Endes des Motors 16 in der unteren Antriebsstellung sicherzustellen. Zusätz lich kommt der Hebel 32 in seiner oberen und unteren Betriebsstellung in Eingriff mit am Rahmen 12 befestig ten Halteklammern 36 bzw. 37, um eine unabsichtliche Bewegung des Hebels aus der gewünschten Stellung zu verhindern.
Ein Paar von Schwenkgelenken 38, 39 können sich vom rückwärtigen Ende des Betätigungshe bels 32 nach hinten zum Pilotensitz 14 erstrecken, um die Betätigung des Hebels 32 von diesem Sitz aus zu ermöglichen.
Die Welle 18 ist in geeigneten Lagern 42 (Fig. 2 und 3) am Rahmen 12 gelagert und eine Freilaufkupplung 43 (Fig. 3) ist in der angetriebenen Scheibe 28 eingebaut, so dass die Welle 18 sich unabhängig von dieser angetriebe nen Scheibe drehen kann. Falls der Motor ausfällt, gehen die Luftrotoren 8 und 9 in Autorotation über, wie später im einzelnen erläutert werden wird, und veranlassen dadurch die Rotorwellen 6 und 7, die Hauptantriebswelle 18 anzutreiben. Es wird bemerkt, dass die diese Drehung der Antriebswelle ermöglichende Freilaufkupplung statt dessen auch in der angetriebenen Scheibe oder Rolle 27 eingebaut sein kann.
Am Rahmen 12 ist vor dem Pilotensitz 14 ein Paar von Lenkstangen 44 an einem allgemein vertikal verlau fenden Anschlussstück 45 angebracht, welches in einem geeigneten, am Rahmen befestigten Lager drehbar gelagert ist. Zusätzlich zu später zu beschreibenden Wirkungen können die Lenkstangen 44 auch geeignete und übliche Steuerungen für den Motor 16 einschliesslich einer Drosselsteuerung aufweisen, welche zweckmässiger- weise durch den Handgriff 46 (Fig. 3) betätigt werden kann, wie es bei Motorradsteuerungen üblich ist.
Wie bereits ausgeführt, ist das vordere und rückwärti ge Ende der Antriebswelle 18 zum Antrieb der Rotorwel- len 6 bzw. 7 durch rechtwinklige Zahnradgetriebekästen 19 bzw. 20 (Fig. 2) angekuppelt. Die unteren Enden dieser Rotorwellen sind in geeigneten, in diesen Lagerkä sten eingebauten und am Rahmen 12 befestigten Lagern drehbar gelagert. Die oberen Enden der Rotorwellen 6 bzw. 7 sind in Lagern 47 bzw. 48 drehbar gelagert, die an den oberen Enden der Mastteile 2 bzw. 3 des Rahmens 12 angebracht sind.
Ebenfalls am oberen Ende der Mastteile sind feststehende Torsionsrohre 49 bzw. 50 (Fig. 2) angebracht, welche jeweils die oberen Enden der Rotorwellen 6 bzw. 7 umgeben, die über die Mastteile 2 bzw. 3 hinausstehen. Die Torsionsrohre 49 bzw. 50 sind längliche Hülsen mit wesentlich grösserem Innendurch messer als der Durchmesser der Rotorwellen 6 bzw. 7 und können mit Flanschen 51 an ihren unteren Enden versehen sein, die an Platten 52 angebolzt sind, welche einen feststehenden Teil des Rahmens 12 an den oberen Enden der Masten 2 bzw. 3 bilden.
Das obere Ende jeder Rotorwelle 6, 7 steht aus dem offenen oberen Ende des zugehörigen Torsionsrohres 49, 50 hervor und ist mit der allgemein mit 56 bezeichneten Nabe des zugehörigen Rotors 8 bzw. 9 verbunden. Die Rotoren 8 und 9 sind gleich gebaut, mit der Ausnahme, dass die Blätter des einen in bezug auf die Blätter des anderen umgekehrt sind, damit sich die Rotoren in entgegengesetzten Richtungen drehen können.
Aus den Pfeilen 53, 54, 55 in Fig. 2 ist zu entnehmen, dass das Ergebnis der Ankupplung der Rotorwellen 6, 7 an entgegengesetzte Enden der Welle 18, welche sich in der durch den Pfeil 53 angegebenen Richtung dreht, darin besteht, dass die Welle 6 im Gegenzeigersinn (betrachtet von oben und angedeutet durch den Pfeil 54, Fig. 2, 4) und die Welle 7 im Uhrzeigersinn (angedeutet durch den Pfeil 55, Fig.2) gedreht wird. Mit Ausnahme dieser Gegendrehung zur Ausschaltung von auf den Rumpf des Hubschraubers wirkenden Drehmomenten sind die Roto ren 8 und 9 in gleicher Weise aufgebaut und bestätigt.
Die Beschreibung des vorderen Rotors 8 (Fig.4) gilt daher auch für den rückwärtigen Rotor 9, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben.
Die Rotornabe 56 weist eine flache Y-förmige Platte 57 (Figuren 4, 6, 7) auf, welche am Flansch 58 beispielsweise durch Bolzen 59 (Figuren 6, 7) am oberen Ende einer rohrförmigen Hülse 60 befestigt ist. Die Hülse 60 enthält das obere Ende der Rotorwelle 6 (Fig. 6), an welcher diese Hülse beispielsweise durch Bolzen 61 befestigt ist. In dieser Weise ist die Rotornabe 56 an der Rotorwelle zur Ausführung einer Drehung mit derselben befestigt.
An jedem Schenkel der Y-förmigen Platte 57 ist ein langgestrecktes Rotorblatt 65 (Fig.4) angebracht und erstreckt sich in radialer Richtung. Es ist zwar ein Rotor mit drei Blättern dargestellt, bei welchem die Schenkel der Platte 57 und die Blätter 65 einen gegenseitigen Abstand von 120 aufweisen. Es ist jedoch klar, dass jede andere Anzahl von Blättern in einer Gleichgewichts verteilung angewendet werden kann, wenn gewünscht. Ein Rotor mit drei Blättern wird einem Rotor mit nur zwei Blättern, welche unter 180 gegneinander angeord net sind, vorgezogen, da der erstere im Hubschrauber weniger starke Schwingungen erzeugt.
Die Blätter 65 sind in gleicher Weise aufgebaut und mit der Rotor-Nabenplatte 57 verbunden. Über den wirksamen Teil seiner Länge, d.h. etwa den äusseren drei Vierteln der Länge von der Mitte der Rotornabe, besitzt jedes Blatt 65 einen konstanten Querschnitt. Das Tragflächenprofil des Blattes ist in Fig.5 in stark vergrössertem Massstab dargestellt, wie es an einer Stelle in etwa drei Vierteln der Blattlänge von der Mitte der Nabe 56 ausgebildet ist. Eine derartige Tragfläche ist bekannt als Tragflächenprofil mit vorwärts gewölbter Mittellinie , da ihr höchster Punkt 66 oder maximaler Wölbungspunkt (grösste Dicke) innerhalb des ersten Viertels der Blattsehne von der vorderen Kante 67 aus liegt.
Aus Fig.5 ist auch ersichtlich, dass das bei dem erfindungsgemässen Hubschrauber verwendete Blattpro fil mit einer sehr scharfen Vorderkante 67 und einem flachen, d.h. nicht positiv gewölbten rückwärtigen Ab schnitt 68 ausgebildet ist.
Fig. 5 zeigt auch den Anstellwinkel a des Blattes 65, welches der Winkel zwischen der Drehebene E des Blattes (beim Schwebeflug horizontal) und der Nullauf- stiegslinie N ist, die eine Fortsetzung des rückwärtigen Teiles der Mittellinie des Tragflächenprofils darstellt. Wie nachfolgend ausführlicher erläutert werden wird, sind die Rotorblätter des Hubschraubers an der Nabe mit einem festen Anstellwinkel von vorzugsweise etwa 5 bis 8 befestigt.
Bei einem kleineren Hubschrauber kann die Länge der Rotorblätter von der Mitte der Nabe bis zum äusseren Ende des Blattes etwa 2,13 m betragen, wobei die Blattbreite von der Vorderkante 67 zur Hinterkante 69 etwa 13,75 cm beträgt. Ein mit annähernd diesen Ausmassen gebautes und unter Autorotationsbedingun- gen arbeitendes Blatt hat eine Reynoldszahl von etwa 0,5 Millionen, wobei seine Geschwindigkeit an einer Stelle in drei Viertel der Blattlänge von der Nabe an berechnet wird, wie es üblich ist.
Bei so niedrigen Reynoldszahlen können Hubschrauberblätter mit üblichen Tragflächen profilen bei Anstellwinkeln von etwa 5 bis 8 keine stabile Autorotation ausführen. Das hier beschriebene Tragflächenprofil ist daher für den Betrieb eines kleine ren Hubschraubers mit fester Steigung sowohl bei normalem angetriebenem Flug als auch bei stabiler Autorotation notwendig.
Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Blatt 65 mit dem entsprechenden Schenkel der Platte 57 durch allgemein mit 70 bezeichnete Verbin dungseinrichtungen (Figuren 4, 6) verbunden. Jede Ver bindungseinrichtung besteht aus einer Mehrzahl von Ian@Restreckten, verhältnismässig dünnen Bändern, wobei ein Paar dieser Bänder 71, 72 (Fig. 6) in einer allgemein horizontalen Ebene und ein drittes Band 73 in einer vertikalen Ebene liegt. Die inneren Enden der Bänder 71, 72 sind an der Platte 57 beispielsweise durch Bolzen 74 befestigt und ihre äusseren Enden sind an den inneren Endender Blätter 65 beispielsweise durch Bolzen 75 befestigt, welche durch dieses Blatt und die Verstär kungsplatten 76 gehen.
Das innere Ende des Streifens 73 ist zwischen einem Paar von nach oben stehenden, an der Platte 57 befestigten Haltern 77 befestigt und das äussere Ende dieses Streifens ist am inneren Ende des Blattes 65 beispielsweise durch nach oben stehende Halter 78 (Fig. 8) befestigt. Vorzugsweise sind die Bänder 71, 72 an der Unterseite der Platte 57 und des Blattes 65 befestigt, während das vertikale Band 73 an der oberen Seite derselben befestigt ist.
Die Bänder oder Streifen 71, 72 und 73 sind daher im Abstand voneinander im Dreieck um den angenäherten Sehnenmittelpunkt des Blattes 65 angeordnet, wie aus Fig. 8 ersichtlich. Die Längsmittellinien der Streifen 71, 72 und 73 konvergieren von dieser Anordnung mit Abständen an der Rotornabe 56 (Fig. 6) zu einem Punkt 81 (Fig. 4) annähernd in der Mitte des Blattprofils an der Stelle in drei Viertel der Blattlänge. Dieser auf dem Blattprofil und der Schnittlinie der Ebenen der Streifen gelegene annähernde Mittelpunkt liegt hinter der Linie der Auftriebs- und Massenmittelpunkte 79 (Fig.4) des Blattes, welches sich etwa ein Viertel der Sehne von der Vorderkante 67 aus befindet.
Die Bänder 71, 72 und 73 sind genügend breit und dick, dass sie bei Anordnung in der beschriebenen Weise gegen eine Bewegung des Blattes 65 in bezug auf die Nabe 56 in horizontaler und vertikaler Richtung, d.h. in der Drehebene des Rotors und senkrecht dazu, im wesentlichen fest sind. Die Bänder sind jedoch genügend dünn, elastisch und biegsam, um eine begrenzte Verdre hung des Blattes 65 in bezug auf die Platte 57 der Nabe 56 zuzulassen. Unter bestimmten, zu beschreibenden Bedingungen findet eine solche Verdrehung des Blattes um die Federachse 80 (Figuren 4, 6, 8) statt, welche allgemein in Längsrichtung und in der Mitte des Blattes von etwas vorderhalb der Mitte der Rotornabe durch den Punkt 81 verläuft.
Die Federachse 80 fällt daher mit der Schnittlinie der Ebenen der Streifen 71, 72 und 73 zusammen und liegt hinter der Linie 79 der Auftriebs und Massenmittelpunkte.
Es ist daher ersichtlich, dass jedes Rotorblatt an der entsprechenden Nabe durch feste, d.h. nicht gelenkige Verbindungseinrichtungen 70 mit einem festen Anstell- winkel von etwa 5 bis 8 befestigt ist. Es wird weiter bemerkt, dass andere einfache Verbindungseinrichtungen angewendet werden können, um das Blatt 65 mit der Nabe 56 so fest zu verbinden und gleichzeitig eine ausreichende Verdrehung des wirksamen Teiles des Blattes um die Federachse 80 unter den nachfolgend zu beschreibenden Bedingungen zu ermöglichen.
Jedes Blatt 65 trägt eine mit 84 (Figuren. 6, 7 und 9) bezeichnete Gegengewicht-Steuereinrichtung hauptsäch lich zur Steuerung der Hubschrauberrotoren unter Flugbedingungen. Jede dieser Gegen gewichteinrichtun- gen besteht aus einer Stange 85, welche allgemein in Längsrichtung des Blattes 65 verläuft und mit ihrem äusseren Ende durch einen Halter 86 (Fig.7) fest mit dem inneren Ende des wirksamen Teils des Blattes verbunden ist. Das innere Ende der Stange 85 ist in einem an der Nabenplatte 57 befestigten Halter 87 drehbar gelagert. Vom inneren Ende der Stange 85 steht ein Arm 88 ab, welcher an seinem unteren Ende ein Gewicht 89 trägt.
Der Arm 88 ist an der Stange 85 fest angebracht und verläuft gegenüber dem Blatt 65 nach unten (Fig. 7) und nach vorne (Fig. 9), d.h. in Bewegungs richtung des Blattes. Ein zweiter Arm 90 ist mit einem Ende fest an der Stange 85 zwischen deren Enden angebracht und verläuft nach oben und innen gegen das Drehzentrum des Rotors zu. Der Arm 90 erstreckt sich von der Bewegungsrichtung des Blattes 65 nach oben (Fig. 7) und rückwärts (Fig. 9) und trägt ein Gewicht 91 an seinem äusseren. von der Stange 85 entfernten Ende.
Wie nachfolgend im einzelnen erläutert werden wird, bewirkt das Auftreten einer Störkraft an der Gegenge- wicht-Steuereinrichtung 84 eine Bewegung der Gewichte 89, 91 in bezua auf das Blatt 65 nach vorwärts oder rückwärts um die Längsachse der Stange 85, um welche sich die Gewichte allein bewegen können, und bewirkt ein entsprechendes Drehmoment über die Arme 88, 90 auf die Stange 85 und von dort über den Halter 86 auf das Blatt 65. Eine solche Bewegung bewirkt eine Änderung des Anstellwinkels des Rotorblattes durch Verdrehung desselben um seine Federachse 80.
Diesem Verdrehen des Rotorblattes wirkt die Steif heit der Verbindungseinrichtung 70 mit den Streifen oder Bändern 71, 72 und 73 entgegen. Es ist klar, dass mit Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des Rotors die durch das Blatt 65 ausgeübte Fliehkraft die Streifen 71, 72 und 73 zu verlängern sucht und dadurch ihre (Steifheit beträchtlich erhöht und dass eine wesentlich grössere Kraft erforderlich ist, diese Streifen um die Federachse zu verdrehen, um den Anstellwinkel des Rotorblattes zu verändern.
Daher sind die Gewichte 89, 91, an den Enden der Arme 88, 90 in Stellungen vor bzw. hinter dem zugehörigen Blatt (Fig. 9) angebracht, um mit steigender Rotorgeschwindigkeit grössere Kräfte hervorzubringen, welche den Anstellwinkel des Blattes 65 zu vergrössern suchen und umgekehrt.
Wenn beispielsweise die Rotorgeschwindigkeit steigt, wirken die Gewichte 89, 91 wie die Gewichte eines üblichen Fliehkraftreglers und suchen sich unter der Einwirkung der erhöhten Fliehkraft vom Drehzentrum nach aussen zu bewegen. Da die Bewegung der Gewichte 89, 91 um die Achse der Stange 85 beschränkt ist, können sie sich nicht von der Rotorwelle 6 radial nach aussen bewegen. - Unter diesen Bedingungen müssen daher die Gewichte 89, 91 sich in bezug auf das Blatt 65 nach vorwärts bzw. rückwärts bewegen, wie durch die Pfeile 94, 95 (Fig. 6, 9) ) angegeben. Diese Bewegung bewirkt das Anlegen einer Kraft, welche den Anstellwinkel des Blattes 65 zu vergrössern sucht.
Bei einem Mehrblattrotor, wie er hier beschrieben wird, werden zweckmässigerweise allgemein mit 99 (Fig. 7) bezeichnete Einrichtungen vorgesehen, welche die verschiedenen Gegengewichteinrichtungen eines Rotors zwecks gemeinsamer (Führung verbinden. Diese Ein richtungen weisen einen Arm 100 (Figuren 7, 9) auf, welcher fest an der Stange 88 jeder Gegengewicht- Steuereinrichtung angebracht ist und quer von derselben absteht.
Das äussere Ende jedes Armes 100 ist schwenk bar mit einem Ende eines Stabes 101 verbunden, dessen anderes Ende mit einem der Ansätze 102 verbunden ist, welche aus einem verdrehbaren Ring 103 (Fig. 7) einer allgemein mit 104 bezeichneten Taumeischeibeneinrich- tung radial vorstehen. Die Ansätze 102 weisen einen gegenseitigen Abstand von 120 auf und jeder derselben ist in Drehrichtung des Rotors 90 vor dem zugehörigen Blatt und der zugehörigen Gegengewichteinrichtung angeordnet.
Der Ring 103 umgibt die Rotorwelle 6 und ist mit einer Anzahl von Ansätzen 102 versehen, welche in Umfangsrichtung desselben einen Abstand aufweisen, welcher der Anzahl und dem Abstand der Rotorblätter 65 und der Gegengewichteinrichtungen 84 entspricht. Da alle Gegengewichteinrichtungen 84 durch Stäbe 101 mit dem Ring 103 verbunden sind, ist jede dieser Einrichtun gen gezwungen, der Bahn oder Spur der anderen zu folgen, um eine Taumelbewegung des Rings 103 zu verhindern.
Der Ring 103 stellt somit ein praktisches Mittel dar, durch welches Störkräfte auf alle Gegenge- wicht-Steuereinrichtungen 84 übertragen werden kön nen.
Die Taumelscheibeneinrichtung 104 weist eine langge- streckte rohrförmige Hülse 105 auf, welche gleitbar auf dem oberen Ende der Rotorwelle 6 unterhalb der Nabe 56 sitzt (Figuren 7, 10). Bolzen 106, welche durch axiale Schlitze 107 in der Hülse 105 greifen und an der Welle 6 befestigt sind, dienen zur Verbindung der Hülse mit der Welle zwecks Mitdrehens, gestatten jedoch ein axiales Gleiten der Hülse 105 längs der Welle.
An ihrem oberen Ende ist die Hülse 105 mit einem radial vorspringenden Flansch 108 versehen, welcher auf einer Schraubendruckfeder 109 aufliegt (Fig.7). Die Feder 109 umgibt die Welle 106 und erstreckt sich zwischen dem Flansch und dem unteren Ende der Hülse 60 der Rotornabe 56, um die Hülse<B>105</B> an der Welle 6 nach unten zu drücken. Das Anliegen der Bolzen<B>106</B> an den oberen Enden der Schlitze 107 begrenzt die Bewegung der Hülse 105 (Fig. 10) nach unten.
Der Ring 103 umgibt die Hülse 105 und ist mit dieser zum Drehen mit derselben durch einen Kardanring 110 (Fig. 10) verbunden, welcher mit dem Ring 103 längs einer Achse durch radial nach aussen stehende Zapfen 111 und längs einer zweiten, darauf senkrecht stehenden Achse mit der Hülse 105 durch radial nach innen stehende Zapfen 112 schwenkbar verbunden ist. Da die Innendurchmesser des Kardanrings <B>110</B> und des Dreh rings 103 wesentlich grösser sind als der Aussendurch messer der Hülse 105, kann der Drehring in irgendeiner Richtung um die senkrechten Achsen der Zapfen 111, 112 in bezug auf die Hülse 105 und die Welle 106 kippen.
Die Taumelscheibeneinrichtung 104 weist weiter einen feststehenden oder nichtrotierenden Ring 115 auf, welcher am unteren Umfang des Ringes 103 durch ein Lager 116 gehalten wird, das eine gegenseitige Drehung zwischen den Ringen<B>103</B> und 115 um ihre gemeinsame Mittelachse zulässt.
Der feststehende Ring 115 wird gegen Drehung in bezug auf den Hubschrauberrumpf durch einen Stab 117 festgehalten, welcher mit diesem und mit einem Bügel 118 (Fig. 7 ) schwenkbar verbunden ist, wobei der Bügel, wie bei 119 dargestellt ist, mit festen Haltern am oberen Ende des Torsionsrohres 49 schwenkbar verbunden ist. Auf diese Weise ist der Ring 115 zur Ausführung einer Schwenkbewegung gegenüber dem Ring 103 gelagert, wird jedoch gegen Drehung mit demselben festgehalten.
Um Schwingungskräfte zu dämpfen und ein Taumeln der Taumelscheibeneinrichtung 104 zu verhindern und da durch die Gegengewichteinrichtungen 84 zu zwingen, der gegenseitigen Führung zu folgen, werden mehrere sym metrisch angeordnete Stossdämpfer oder Bremszylinder 120 zwischen den Ring 115 und das Torsionsrohr 49 geschaltet.
Wie nachfolgend ausführlicher erörtert werden wird, bewegt sich der Hubschrauber, wenn der Pilot desselben seinen Schwerpunkt durch Neigung nach links oder rechts oder vorwärts oder rückwärts verändert, in der Richtung, in welche er sich lehnt, und zwar infolge der Reaktion der hintereinanderliegenden Rotoren und ihrer jeweiligen Gegengewicht-Steuereinrichtungen. Während einer solchen Steuerung durch Körperbewegung reagie ren jedoch beide Rotoren im wesentlichen in der gleichen Weise, wodurch eine Steuerung um die Kipp- oder Querachse (durch das Lehnen des Piloten nach vorne oder rückwärts) und eine Steuerung um die Roll- oder Längsachse (durch das Lehnen des Piloten nach der einen oder der anderen Seite) erzielt wird.
Zur Steuerung um die Hochachse ist eine nachfolgend beschriebene Einrichtung zum Bewirken einer Reaktion in nur einem der zwei Rotoren vorgesehen.
Wie oben erläutert, ist das untere Ende der vorderen Rotorwelle 6 mit der Hauptantriebswelle 18 durch ein rechtwinkliges Zahnradgetriebe 19 verbunden. Dieses rechtwinklige Zahnradgetriebe weist ein Paar von in Eingriff stehenden Kegelrädern 125, 126 (Fig. 11) auf, welche mit den Enden der entsprechenden Wellen 18, 6 verbunden und in einem Gehäuse 127 gelagert sind, das Lager für die Enden der Wellen aufweist.
Das Gehäuse 127 ist am Rahmen 12 durch eine rückwärtige Lager klammer 128 und einen vorderen Halter 129 befestigt, welcher beispielsweise durch die Zapfen 130 an dem Rahmen schwenkbar angelenkt ist, damit es um eine Achse<B>131</B> (Fig. 11) gekippt werden kann, welche mit den Schwenkachsen des Zapfens 130 und der Lagerklammer 128 gefluchtet ist. Die Schwenkachse 131 liegt in der Ebene der Wellen 6, 18 und ist parallel zu einer geneigten Linie 132, welche zwischen den wirksamen Eingriffsflä chen der Zahnräder 125, 126 gezogen ist.
Auf diese Weise suchen die durch die Hauptantriebswelle 18 ausgeübten Drehkräfte das Getriebegehäuse 19 und die Welle 6 nicht um die Achse 131 zu kippen, da der Tangens des Winkels zwischen dieser Achse und der Antriebswelle 18 gleich dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes 19 ist.
Um ein Kippen der Rotorwelle 6 von Seite zu Seite aus einer vertikalen Ebene heraus um die Achse 131 zu ermöglichen, ist das obere, diese Welle haltende Lager 47 (Fig.3) in einer mit einem Flansch versehenen Einzie hung l35 (Fig.12) in einer beweglichen Platte 136 befestigt, welche am oberen Ende des Mastteiles 2 des Hubschrauberrumpfes angeordnet ist (Fig. 3). Die Platte 136 ist unterhalb und allgemein parallel zu der Platte 52 angeordnet, welche an den oberen Enden der Teile des Rahmens 12 am Mast 2 befestigt ist.
Ein nach vorne stehender Ansatz<B>137</B> (Fig. 12) an der Platte 136 ist beispielsweise durch den Zapfen 138 an der festen Platte 52 schwenkbar angelenkt. Ein nach hinten stehender Ansatz<B>139</B> der Platte 135 ist beispielsweise durch den Zapfen 140 mit einer Laufmutter 141 verbunden, die im Gewindeeingriff mit einer Schrauben winde 142 steht.
Die Schraubenwinde 142 erstreckt sich quer zur Längsachse des Hubschrauberrumpfes und ist an ihren Enden in Lagern 143 drehbar gelagert, welche an der Unterseite der Platte 52 befestigt sind. An einem ihrer Enden ausserhalb einem der Lager 143 trägt die Schraubenwinde 142 eine Betätigungsrolle 144 (Fig. 12).
Ein Drehen der Schraubenwinde 142 durch die Rolle 144 in einer zu beschreibenden Weise bewirkt, dass die Mutter 141 sich längs derselben verschiebt und dadurch die Platte 136 in einer horizontalen Ebene um den Schwenkzapfen 138 verschwenkt. Während dieser Bewe gung nimmt die Platte 136 das Lager 47 und das obere Ende der Welle 6 mit sich und kippt dadurch diese Welle aus der vertikalen Mittelebene des Rumpfes. Die Welle 6 kippt um die Achse 131 (Fig. 11), wie oben beschrie ben.
Es wird bemerkt, dass eine langgestreckte Öffnung 145 (Fig. 12) in der festen Platte 52 vorgesehen und der Innendurchmesser des vorderen Torsionsrohres 49 genü gend gross ist, um eine beträchtliche seitliche Bewegung des oberen Endteiles der Rotorwelle 6 zuzulassen.
Ein endloses Steuerkabel 146, welches um die Betätigungsrolle 144 (Fig.12) geschlungen ist, verläuft unter Leerlaufrollen 147 (Fig.3) und um eine grosse Rolle 148, welche am Rumpfhauptteil vor den Lenkstan gen 44 gelagert ist. Das Kabel 146 ist mit der Rolle 148 verbunden, so dass eine Drehung derselben bewirkt, dass das Kabel die Rolle 144 und die Schraubenwinde 142 dreht. Die Lenkstangen 44 sind arbeitsmässig mit der Rolle 148 verbunden, um dieselbe durch eine auf dem Anschlussstück 45 befestigte Rolle 149 zu drehen, wobei das Anschlussstück 45 durch einen Riemen 150 mit einer kleinen Rolle 151 verbunden ist, die mit der Rolle 148 auf einer gemeinsamen Welle befestigt ist.
Auf diese Weise bewirkt ein Verschwenken der Lenkstangen 44 von Seite zu Seite, dass sich die vordere Rotorwelle 6 von Seite zu Seite verschwenkt. Es ist klar, dass die rückwärtige Rotorwelle 7 in gleicher Weise gelagert werden kann, wenn gewünscht, dies ist jedoch zur Steuerung um die Hochachse nicht nötig.
Bei Betrieb des Hubschraubers wird der Motor 16 (Figuren 2, 3) in Gang gesetzt, wobei sich der Betäti gungshebel 32 in der vorderen, durch die strichpunktierte Linie 35 angedeuteten Stellung befindet, so dass die Riemen schlaff sind und die Antriebsverbindung mit der Welle 18 unterbrochen ist. Wenn der Motor warmgelau fen ist und der Pilot auf dem Sitz 14 angeschnallt ist, bringt ein Zurückziehen des Gelenkes 39 den Riemenan trieb 17 (Fig. 3) zum Eingriff und der Motor treibt daher die Rotoren 8, 9 über die Rotorwellen 6, 7 in entgegengesetzten Richtungen.
Wenn die Drehzahl des Motors erhöht wird, erhöht sich die Drehgeschwindigkeit der Rotoren 8, 9 bis zu dem Punkt, an welchem die Blätter 65 einen genügenden Auftrieb entwickeln, um das Gewicht des Hubschraubers und seines Piloten zu überwinden, und ein Abheben eintritt.
Sodann kann der Pilot die Höhe des Hubschraubers, d.h. das vertikale Steigen und Fallen, durch Veränderung der Motordrosselstellung steuern und bei einer bestimm ten Einstellung, bei welcher die von den Rotoren entwickelten Auftriebskräfte die Schwerkraft ausglei chen, schwebt der Hubschrauber.
Beschreibungsgemäss ausgebildete Rotoren mit einem Blattprofil gemäss Fig.5, welche unter einem festen Anstellwinkel von etwa 6 angeordnet sind, entwickeln einen ausreichenden Auftrieb, um die Wirkung der Schwerkraft auf den kleinen beschreibungsgemässen Hubschrauber, seinen Piloten und einen Mitfahrer mit einem Motor 16 von entsprechend geeigneter Grösse und Leistung zu überwinden.
Bei Motorausfall in der Luft fällt der Hubschrauber und erzeugt dadurch eine relative Luftströmung nach oben durch die Hubschrauberrotoren, die der nach unten gerichteten, von den angetriebenen Rotoren unter norma len angetriebenen Flugbedingungen verursachten Luft strömung entgegengesetzt ist. Aus bekannten Gründen verursacht die nach oben durch die Rotoren gerichtete Luftströmung Autorotation, wenn angenommen wird, dass der Anstellwinkel bei der Reynoldszahl unter Autorotationsbedingungen wesentlich kleiner ist als der Anstellwinkel, bei welchem das Rotorblattprofil kritisch wird.
Infolge der scharfen Vorderkante und der vorderen Wölbung des Rotorblattprofils, wie es in Fig.5 darge stellt ist, tritt die Ablösung der Luftströmung an diesem Profil an der scharfen Vorderkante auf, wodurch ein unmittelbar angrenzender turbulenter Bereich erzeugt wird. Unmittelbar hinter dem turbulenten Bereich tritt ein turbulentes Wiederanlegen der Luftströmung infolge der Anordnung der vorderen Wölbung nahe der scharfen vorderen Kante ein.
Die an der vorderen Kante erzeugte Turbulenz dient daher sowohl zum Wiederanlegen der Grenzschichtströmung an das Rotorblattprofil (Fig. 5) unmittelbar hinter der vorderen Kante sowie zur Entnahme von Energie aus der freien Luftströmung, um eine isotrope Turbulenz und hohe Energie in der Grenzschichtströmung aufrechtzuerhalten und dadurch eine Ablösung im wesentlichen über die ganze Oberflä che des Blattes zu verhindern.
Wenn die scharfe vordere Kante und vordere Wölbung des Profils nicht wäre, würde das Profil bei einer versuchten Autorotation bei der niedrigen, hier vorhandenen Reynoldszahl und bei einem Anstellwinkel über etwa 3 kritisch sein bzw. durchsacken. Ein solches Durchsacken würde die Auf triebsfähigkeit des Blattes und die vorwärtsgerichtete Komponente der Auftriebskraft zerstören, welche eine Autorotation des Blattes bewirkt.
Das beschreibungsgemässe Blattprofil ist jedoch sowohl für normalen angetriebenen Flug als auch für stabile Autorotation bei abgeschalteter Leistungszufüh rung geeignet, wenn es unter einem festen Anstellwinkel von etwa 5 bis - 8 angebracht ist, wie in Fig. 5 dargestellt. Der kleine Hubschrauber mit den Rotoren mit festem Anstellwinkel, wie er beschrieben wurde, kann daher durch Steuerung der Motordrehzahl steigen und fallen als auch bei Abschaltung des Antriebs unter Autorotationsbedingungen sicher fallen.
Fig. 4 zeigt u.a. eine schematische Darstellung der vertikalen Mittelebene des Hubschraubers, welche durch die gestrichelte Linie 154 angedeutet ist, auf welcher die Bewegungsrichtung nach vorne durch einen Pfeil A angegeben ist, sowie vier um 90 versetzte Stellungen eines Rotorblattes durch welche beispielsweise das untere Blatt 65 bei einer vollständigen Umdrehung des Rotors 8 wie nachstehend beschrieben laufen kann. In jeder der Stellungen 2, 3 und 4 (in Fig.4 mit kleinen Kreisen umgeben) ist das Blattprofil in bezug auf eine gestrichelte Linie schematisch dargestellt, welche die Drehebene des Rotors angibt.
Fig. 5 gibt eine vergrösserte Darstellung für das Blatt in Stellung 1 (in Fig.4 mit einem kleinen Kreis umgeben).
Der Pilot kann den Hubschrauber um die Längs- und Querachse durch seine instinktiven Körperbewegungen steuern. Wenn sich beispielsweise beim Schwebeflug der Pilot nach rechts lehnt, wenn er auf dem Sitz 14 nach vorne schauend sitzt, so wird der gemeinsame Schwer punkt von Hubschrauber und Pilot von der vertikalen Längsebene 154 (Fig.4) des Hubschraubers, welche die Rotorwellen 6, 7 enthält, nach rechts verschoben. Diese Verschiebung des Schwerpunktes ergibt ein Biegemoment auf den oberen Teil der vorderen Rotorwelle 6, welches nach rechts zu ziehen sucht und dadurch eine Kraft ergibt, welche das Blatt 65 in der Stellung 1 (Fig. 4) anzuheben sucht.
Diese Kraft wirkt nach oben, ist längs der Linie der Federachse 80 verteilt und wirkt gegen die Masse und die gyroskopische Trägheit des Rotorblattes, welche entge gengesetzt, d.h. in Stellung 1 nach unten, wirken und längs der Linie der Massenmittelpunkte 79 des Blattes verteilt sind. Dieser Satz von wirkenden und gegenwir kenden Kräften stellt ein Kräftepaar dar, welches die Gegengewicht-Steuereinrichtung 84 und die Blattvorder- kante um die Federachse 80 in der Stellung 1 nach unten zu schwenken sucht.
Die volle federnde Blattdrehung, d.h. Verschwenkung des Blattprofils um die Achse 80, tritt jedoch infolge der Trägheit der Gegengewicht-Steuerein- richtungen 84 nicht sofort ein.
Die maximale federnde Ver- schwenkung der Blattvorderkante nach unten tritt erst in der Stellung 2, d.h. nach 90 Rotordrehung aus der Stellung 1 ein, wenn die Trägheit der Gegengewichtein- richtungen 84 in bezug auf die von der Fliehkraft abhängige federnde Steifheit der Verbindungsstreifen 71, 72, 73 richtig eingestellt ist, d.h. wenn die natürliche Feder- oder Blattverschwenkfrequenz gleich der Dreh zahl ist.
Diese Bedingung wird gut angenähert erreicht, wenn die folgende Gleichung befriedigt wird:
EMI0007.0041
wobei bedeutet: N Rotordrehzahl, U/min; W", W, Gewicht der oberen bzw. unteren Gegengewichte 91 bzw. 89, kg; hl" hl senkrechte Höhe der Gegengewichte 91 bzw.
89 über beziehungsweise unter der Dreh ebene (Fig. 9), m; Wb Gewicht des Blattes 65 ausserhalb der Ver- bindungsstreifen-Einrichtung 70, kg; Rb Abstand zwischen dem Drehzentrum des Rotors und dem Schwerpunkt 82 des Blat tes (Fig. 4), m; RS mittlerer Abstand zwischen der Federachse 80 und der Mitte der Verbindungsstreifen 71, 72, 73 (Figuren 6, 8), m; L freie Länge der Verbindungsstreifen (Fi gur 6), m.
In der obigen Gleichung ist die rechte Seite proportio nal zu den durch die Fliehkraft erzeugten Rückstellmo- menten um die Federachse 80 (aufgrund der Streifen 71, 72, 73) und die linke Seite ist proportional zu den Trägheits-Kippmomenten aufgrund der Gegengewich- teinrichtung 84 um die gleiche Achse, beide je Einheit, beispielsweise Grad, der federnden Schwingung. Wenn diese Formel befriedigt wird, sind die verstellenden und rückstellenden Momente für federnde Schwingungen jeder Amplitude bei einer Frequenz von einer Periode je Umdrehung gleich.
Die Trägheit der Gegengewichteinrichtung 84 wird so eingestellt, dass die vorstehende Formel erfüllt wird, wobei sich das genannte Resultat ergibt, dass die Eigenfrequenz der Federung gleich der Rotordrehfre- quenz ist. Dies bedeutet, dass ein um die Federachse in der Stellung 1 ausgeübtes Moment bewirkt, dass die Blattsteigung harmonisch mit einer vollen Periode je Umdrehung des Rotors schwingt, maximale, jedoch entgegengesetzte Winkelauslenkungen an den Stellen 2 und 4 (Fig. 4) erreicht und durch die ursprüngliche oder neutrale Lage in den Stellungen 1 und 3 hindurchgeht.
Wie in Fig. 4 dargestellt, bewirkt das die Blattvorderkan- te oder Spitze nach unten drückende federnde oder Verstellmoment in der Blattstellung 1 infolge einer Neigung des Piloten nach rechts, dass das Blatt seine Lage mit maximal nach unten gedrückter Vorderkante in der Stellung 2 und mit maximal nach oben gedrückter Vorderkante in Stellung 4 einnimmt und durch die Neutrallage in den Stellungen 1 und 3 durchgeht. Die Grösse der harmonischen Bewegungen beim Federn oder Verstellen in bezug auf die ursprüngliche Drehebene vergrössert sich kontinuierlich, solange sich der Pilot weiterhin nach rechts lehnt.
Die zyklischen Änderungen der Blattverstellungslage, wie sie gerade beschrieben wurden, erzeugen nach unten gerichtete aerodynamische Kräfte auf das Blatt im Bereich der Stellung 2 und nach oben gerichtete aerodynamische Kräfte im Bereich der Stellung 4. Soweit das rotierende Blatt ein Element eines Kreisels bildet (die drei Blätter zusammen bilden einen vollständigen Krei sel), veranlassen die genannten aerodynamischen Kräfte in den Stellungen 2 und 4 das Blatt, in der Stellung 3 nach 90 Drehung von der nach unten gerichteten aerodynamischen Kraft nach unten und in der Stellung 1 nach oben zu präzedieren, gemäss dem bekannten Gesetz der Kreiselpräzession.
Die Wirkung der beschriebenen Präzession während der Drehung eines Rotorblattes um 360 besteht darin, dass ein Fallen des Blattes von Stellung 1 nach Stellung 3 und ein Aufsteigen des Blattes von Stellung 3 nach Stellung 1 bewirkt wird. Da jedes Rotorblatt der gleichen Bewegungsbahn unter den beschriebenen Bedingungen folgt, wird daher die Ebene der Rotoren auf der rechten Seite des Hubschraubers nach unten geneigt. Solange das durch die Verschiebung der Schwerpunkte nach rechts bewirkte Biegemoment auf die Rotorwelle 6 einwirkt, setzt die sich die Winkelverschiebung der Drehebene des Rotors um die Längsachse des Hubschraubers fort.
Diese Kippung hört auf, wenn das Biegemoment nicht mehr auf die Rotorwelle ausgeübt wird, d.h. wenn die Welle nachgefolgt ist und senkrecht auf der Ebene geneigten Rotors steht.
Mit den nach rechts unten geneigten Rotoren gemäss dem gegebenen Beispiel wird der Hubschrauber infolge der dadurch bewirkten seitlichen Komponente in der Auftriebskraft der Rotoren seitlich durch die Luft befördert. Sodann wird die seitliche Verschiebung des Hubschraubers forgesetzt, bis die Rotorebenen durch einen umgekehrten Vorgang wieder in die Horizontale zurückgebracht sind. Es wird festgestellt, dass beide Rotoren 8, 9 in der gleichen Weise reagieren, mit Ausnahme der Unterschiede, welche auf ihren entgegen gesetzten Drehrichtungen beruhen.
Es wird weiter bemerkt, dass die von den Rotorblät- tern beschriebene Bahn nicht genau eine Ebene, sondern ein umgekehrter, flacher Kegel ist, was auf der natürli chen Biegsamkeit der Rotorblätter und ihrer Fähigkeit beruht, sich an ihren äusseren Enden nach oben zu biegen. Die Beschreibung in bezug auf die Drehebene des Rotors ist daher eine Vereinfachung, welche nichts destoweniger richtig ist.
Die Steuerung um die Querachse des Hubschraubers wird dementsprechend in einer ähnlichen Weise durch die instinktiven Körperbewegungen des Piloten bewirkt, indem er sich nach vorne oder rückwärts legt und dadurch den gemeinsamen Schwerpunkt von der Vor triebs- oder Druckmittellinie zwischen den hintereinan- derlieaenden Rotoren nach vorne oder rückwärts ver schiebt.
Um eine Steuerung um die Hochachse des Hub schraubers zu bewirken, können die Lenkstangen 44 auf die eine oder die andere Seite gedreht werden. Wie oben erläutert, dreht eine derartige Verschwenkung der Lenk stangen die Schraubenwinde 142 (Fig. 12), wodurch eine Kraft auf das obere Ende der vorderen Rotorwelle 6 ausgeübt wird, welche dieselbe zu kippen sucht. Der vordere Rotor 8 reagiert auf ein solches Kippen in der gleichen Weise, wie es in bezug auf die Anwendung eines Biegemoments auf die Rotorwelle infolge einer Nei gungsbewegung des Piloten beschrieben wurde.
Da nur der vordere Rotor so reagiert und daher nur der vordere Teil des Hubschraubers relativ zum hinteren Teil verschoben wird, wird eine Steuerung um die Hochachse bewirkt.
Während diese verschiedenen Körperbewegungen und Lenkstangenbetätigungen ausgeführt werden, veranlasst die Führungseinrichtung 99 (Fig. 7) jedes Blatt und seine Gegengewicht-Steuereinrichtung, der gleichen Feder- oder Verstellwirkung an der gleichen Stelle bei jedem Drehungszyklus des Rotors zu folgen. So wird durch Anwendung der einfachen und doch stabilen Bauart mit festem Anstellwinkel oder fester Steigung die übliche zyklische Steuerung des Anstellwinkels ersetzt.
Bei dieser zyklischen Steigungsänderung neigt sich die Taumelschei- beneinrichtung 104 langsam (nach rechts unten in dem vorangehenden Beispiel, wenn der Pilot sich nach rechts lehnt und eine Verdrehung um die Längsachse nach rechts erfolgt) in bezug auf die Achse der Rotorwelle in Abhängigkeit von der zyklischen Bewegung der Gegenge- wicht-Steuereinrichtungen 84 und der Blätter 65 um ihre Federachsen.
Die Stossdämpfer 120 ermöglichen eine solche langsame Verschwenkung der Drehebene des kardanisch aufgehängten Ringes 103, widerstehen jedoch einer schnellen Taumelbewegung dieses Ringes aus dieser Ebene heraus.
Da die erhöhte Rotorgeschwindigkeit die Steuer- Gegengewichte 89, 91 in Richtung der Pfeile 94, 95 (Figuren 6, 9) zu bewegen sucht, sucht die Verbindung der Gegengewichteinrichtungen 84 durch die Stäbe 101 mit dem Ring 103 die Taumelscheibeneinrichtung 104 nach oben gegen die Nabe 56 zu heben (Fig.7). Die Feder 109 ist so gewählt, dass ihre Kraft das Anheben und Absenken der Taumelscheibeneinrichtung 104 soweit steuert, wie es nötig ist, um eine vernünftige gemeinsame Steigungsänderung bei erhöhter Rotorgeschwindigkeit zu bewirken.
Wie oben erläutert, ist der Ring 115 der Taumelschei- be 104 zur Ausführung einer Kippbewegung und einer Anheb- und Absenkbewegung mit dem sich drehenden Ring 103 gelagert, jedoch wird der erstere gegen Drehung festgehalten. Da beide Ringe der Taumelscheibe 104 sich in Abhängigkeit von zyklischen Steigungsänderungen der Rotorblätter kippen, wie sie in der vorher beschriebenen Weise bewirkt werden, kann der sich nicht drehende Ring 115 als Mittel zum Übertragen von Kräften auf die Taumelscheibe verwendet werden, um zyklische Stei gungsänderungen zu bewirken und dadurch die Lage des Hubschraubers zu beeinflussen.
Anstatt des genauen Ausbalancierens des Hubschrau beraufbaus und seiner Insassen, so dass der gemeinsame Schwerpunkt an die richtige Stelle (FiQ.2) fällt, können auf jede Taumelscheibe 104 durch ihren Ring 115 Kräfte ausgeübt werden, um die Lage des Hubschraubers ins Gleichgewicht zu bringen und die richtigen Flugeigen schaften zu gewährleisten. Solche Kräfte können mittels eines allgemein mit 166 bezeichneten Steuer-Gelenkme- chanismus bewirkt werden, welcher halbschematisch in Fia. 13 dargestellt und mit den nichtrotierenden Ringen 115 der Taumelplatten 104 des vorderen bzw. rückwärti gen Rotors verbunden ist.
Dieser Gelenkmechanismus weist vorzugsweise einen allgemein vertikal verlaufenden ersten Steuerhebel 167 auf, welcher am Rahmen des Hubschraubers bei 168 schwenkbar angelenkt ist und um eine allgemein horizon tale Achse nach vorne und rückwärts verschwenkt werden kann. Unterhalb des Schwenkzapfens 168 ist der Hebel 167 beispielsweise durch ein allgemein horizontal verlaufendes Gestänge 170 mit einem allgemein vertikal stehenden Kreuzgelenk 171 verbunden, welches an einem Gleitstück 172 befestigt ist, das zur Ausführung einer Gleitbewegung nach vor- und rückwärts am Hubschrau berrahmen gelagert ist.
An seinem oberen Ende ist das Kreuzgelenk 171 durch ein schwenkbar angelenktes Gestänge 173 über einen Winkelhebel 174, der am Hubschrauberrahmen schwenkbar angelenkt ist, und ein allgemein vertikal verlaufendes Gestänge 175 mit einem Punkt auf der rechten Seite des vorderen Rotorrings 115 verbunden. Das untere Ende des Kreuzgelenks 171 ist in gleicher Weise durch ein Gestänge 177 mit einem ähnlichen Winkelhebel 178, der am Hubschrauberrahmen schwenk bar angelenkt ist, und von da über ein allgemein vertikal verlaufendes Gestänge 179 mit einem Punkt auf der rechten Seite des rückwärtigen Rotorrings 115 verbun den.
Vorzugsweise ist eine Federhülse 180 in das Gestänge 170 eingebaut, so dass eine Verschiebung des Steuerhebels 167 eine Kraft auf das Kreuzgelenk 171 durch das Gleitstück 172 ausübt, welche das Kreuzgelenk zu verschieben sucht.
Eine Verschiebung des Steuerhebels 167 nach vorne in Richtung des Pfeiles B sucht beispielsweise das Gleitstück 172 und das Kreuzgelenk 171 nach rückwärts zu ziehen und übt daher durch den Mechanismus 173 bis 175 eine nach unten gerichtete Kraft auf die rechte Seite der Taumelscheibe 104 des vorderen Rotors aus. Gleichzeitig wird eine nach oben gerichtete Kraft durch den Mechanismus 177 bis 179 auf die rechte Seite der Taumelscheibe 104 des rückwärtigen Rotors ausgeübt.
Die Wirkung der Ausübung solcher Kräfte auf die vordere und rückwärtige Taumelscheibe und daher auf die Gegengewicht-Steuereinrichtungen 84 ist die gleiche wie sie vorher in bezug auf das Nachvorne-Lehnen des Piloten und infolgedessen eine Verschiebung des gemein samen Schwerpunktes des Hubschraubers gegen den vorderen Rotor zu beschrieben wurde. Diese Wirkung veranlasst den vorderen und rückwärtigen Rotor, welche sich in entgegengesetzten Richtungen drehen, wie durch die Pfeile 54, 55 angegeben, zyklische Steigungsänderun gen durchzuführen, welche eine Neigung der Rotorebe- nen nach vorne und unten ergeben.
Zusätzlich zu der bewirkten zyklischen Änderung des Anstellwinkels oder der Steigung sucht die Ausübung der nach unten gerichteten Kraft auf die vordere Taumel scheibe und der nach oben gerichteten Kraft auf die rückwärtige Taumelscheibe den gemeinsamen Anstell- winkel der vorderen Rotorblätter zu vermindern und den gemeinsamen Anstellwinkel der rückwärtigen Rotorblät- ter zu erhöhen, indem sie jeweils die vordere Taumel scheibe zu senken und die rückwärtige Taumelscheibe zu heben sucht, wie oben beschrieben.
Auf diese Weise sucht der rückwärtige Rotor gleichzeitig über den vorderen Rotor zu steigen, wenn die Rotorebenen sich nach vorne und unten neigen.
Es wird bemerkt, dass der Hebel 167 nicht nur dazu verwendet werden kann, um die Lage des Hubschraubers ins Gleichgewicht zu bringen, sondern dass er auch als hauptsächliches Mittel zur Steuerung um die Querachse angewendet werden kann, d.h. die oben beschriebene Rotorwirkung schwenkt den Hubschrauberrumpf um seine Querachse.
In gleicher Weise ist ein zweiter Steuerhebel 181 (Fig.13) mittig am Hubschrauberrahmen durch eine Kugelverbindung 176 gelagert, um eine Verschwenkung nach links und rechts und eine Drehung um seine allgemein vertikale Längsachse ausführen zu können. Dieser kann dazu verwendet werden, die Hubschrauber lage um die Längs- und Hochachse ins Gleichgewicht zu bringen oder als hauptsächliches Mittel zum Bewirken der Steuerung um die Längs- und Hochachse. Die Lenkstangen 169 sind am oberen Ende des Hebels<B>181</B> befestigt. Ein seitlicher Fortsatz 192, welcher am unteren Ende des Steuerhebels 181 befestigt ist, dient zur Betätigung eines doppelten Winkelhebels 182 um einen festen Schwenkzapfen 193.
Die entgegengesetzten Enden des Winkelhebels 182 sind mit einem vorderen bzw. rückwärtigen doppelten Winkelhebel 183 bzw. 184 durch schwenkbare Glieder 185, 186 verbunden, welche Feder hülsen 187, 188 enthalten. Die entgegengesetzten Arme jedes dieser letzteren doppelten Winkelhebel sind durch Glieder 189 bzw. 190 mit diametral entgegengesetzten Stellen an den vorderen rückwärtigen Teilen der nichtro tierenden Ringe 115 der vorderen bzw. rückwärtigen Rotor-Taumelscheibe 104 verbunden.
Die Winkelhebel 182, 183, 184 sind am Hubschrau berrahmen durch Zapfen-Schlitzverbindungen 193, 191 gelagert, welche mittig zwischen den Verbindungsstellen der Glieder 185, 186 bzw. 189, 190 angeordnet sind. Die doppelten Winkelhebel 183, 184 sind dadurch zur Ausführung einer Kippbewegung um die Achsen der Zapfen 191 soeie einer Anheb- und Absenkbewegung mit den Taumelscheiben 104 gelagert und der Winkelhebel 182 ist in gleicher Weise gelagert, um eine Vorwärts- und Rückwärtsbewegung sowie eine Kippbewegung um den Zapfen 193 zu ermöglichen.
Ein Verdrehen des Hebels 181 durch Drehen der Lenkstangen 169 im Gegenuhrzeigersinn (gesehen von oben) veranlasst den Fortsatz 192 zu einer Schwenkung nach rückwärts sowie eine Verschiebung des Winkelhe bels 182 in Richtung des Pfeiles C . Diese Verschiebung bewirkt die Übertragung einer Kraft durch das Glied 185, den doppelten Winkelhebel 183 und die vorderen Glieder 189, 190 auf die Taumelscheibe 104, welche dieselbe nach vorne und unten zu neigen sucht.
Durch die vorher beschriebene Wirkung der Gegengewicht-Steuereinrich- tungen 84, wie die Störkräfte auf die vordere Taumel scheibe 104, wird eine Neigung der vorderen Rotorebene nach links bewirkt. Die gleiche Kraft wird durch dieses Verdrehen der Lenkstangen 169 und das Verschwenken des Fortsatzes 192 auf die rückwärtige Taumelscheibe mit der entgegengesetzten Wirkung infolge der entgegen gesetzten Drehrichtung des rückwärtigen Rotors ausge übt. Der rückwärtige Rotor neigt sich daher nach rechts und bewirkt eine Drehbewegung des Hubschraubers um seine Hochachse.
Ein Neigen der Lenkstangen 169 und des Hebels 181 nach links verursacht eine Drehung des Winkelhebels 182 in Richtung des Pfeiles D , wodurch gleiche, jedoch entgegengesetzt gerichtete Kräfte an entsprechenden Stellen der vorderen und rückwärtigen Taumelscheibe ausgeübt werden. Da die Rotoren sich in entgegengesetz ten Richtungen drehen, bewirkt die Anwendung dieser entgegengesetzten Störkräfte durch ihre entsprechende Taumelscheiben eine Neigung beider Rotorebenen nach links, wodurch eine Verschiebung des Hubschraubers nach links bewirkt wird.
Es wird bemerkt, dass eine Steuerung um die Quer-, Längs- und Hochachse in entgegengesetzten Richtungen als den beschriebenen durch entgegengesetzte Bewegung der Steuerhebel 167, 181 bewirkt wird. Ausserdem können diese Steuerhebel zu einem einzigen Hebel zusammengefasst werden, wenn gewünscht. Falls der in Fig. 13 dargestellte Gelenkmechanismus als hauptsächli ches Mittel zur Flugsteuerung verwendet wird, kann er die oben beschriebene Hochachsensteuerung durch die Lenkstange 44 vollständig ersetzen.