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Die
Erfindung betrifft eine Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung mit
einem Rotorkopf mit einer Mehrzahl von Rotorblattaufnahmen an dem
Umfang des Rotorkopfes, wobei die Rotorblattaufnahmen zur Aufnahme
von Rotorblättern
vorgesehen und diese um ihre Längsachse
drehbar sind, einer mit einem Triebwerk antreibbaren und mit dem
Rotorkopf verbundenen Rotorwelle und einer ersten, die Rotorwelle
umfassenden Taumelscheibe, die einen nicht drehenden und zur Achse
der Rotorwelle mittels Stellgliedern axial verschiebbar und kippbar
gelagerten stationären
Teil und einen gegenüber
dem stationären
Teil drehbar gelagerten und drehfest zur Rotorwelle angeordneten
drehbaren Teil hat, und der über Steuerstangen
zur Verdrehung der Rotorblätter
mit diesen verbunden ist. Es ist mindestens eine weitere Taumelscheibe
vorgesehen, die mit ihrem drehbaren Teil ebenfalls drehfest mit
dem Rotorkopf verbunden ist, wobei die mindestens eine Taumelscheibe
mit ihrem drehbaren Teil jeweils über Steuerstangen gelenkig
mit einem der jeweiligen Taumelscheiben zugeordneten Rotorblatt
verbunden ist.
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Die
als Rotor bezeichneten beweglichen Tragflächen eines Hubschraubers erzeugen
auch ohne Vorwärtsbewegung
des Hubschraubers bei Rotation einen Auftrieb, so dass dieser sehr
langsam fliegen, in der Luft stehen bleiben oder sich seitlich und
sogar rückwärts bewegen
kann. Die an einem Rotorkopf angelenkten Rotorblätter weisen in der Regel ein
gewölbtes
Profil auf. Sie werden mit einem Triebwerk über eine Rotorwelle in Drehung
versetzt, so dass durch die Luftströmung um die Rotorblätter eine
Auftriebskraft entsteht, die den Hubschrauber senkrecht nach oben
stei gen lässt.
Die Größe des Auftriebs
wird durch die Profilform der Rotorblätter, die Rotordrehzahl und
durch den Anstellwinkel der Rotorblätter gegen die umgebende Luft
bestimmt. Der Anstellwinkel der Rotorblätter kann mit Hilfe einer Taumelscheibe
verändert
werden. Durch eine Vergrößerung des
Anstellwinkels gegenüber
der umgebenden Luft werden der Auftrieb und die Steiggeschwindigkeit
des Hubschraubers erhöht.
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Die
Vortriebsbewegung des Hubschraubers wird dadurch ermöglicht,
dass die Blattspitzenebene des Rotors und damit teilweise auch der
Hubschrauber geneigt wird. Neben der Auftriebskraft wird dann auch
eine Vortriebskraft erzeugt. Die Neigung der Blattspitzenebene erfolgt
mit Hilfe der Taumelscheibe. Hierzu werden die Anstellwinkel der
Rotorblätter während der
Umdrehung entsprechend ständig
geändert.
Hierzu dient eine Taumelscheibe, die einen stationären Teil
und einen mit dem Rotorkopf drehbaren Teil hat, der in Bezug auf
den stationären
Teil gleitend gelagert ist. Eine über Stellglieder bewirkte Schrägstellung
der Taumelscheibe führt
zu einer Auf- und Abbewegung von Steuerstangen, die zwischen dem
drehbaren Teil und der gegenüber
dem Rotorkopf drehbaren Rotorblattaufnahme angelenkt sind. Durch
die Betätigung
der Taumelscheibe derart, dass sie im Ganzen axial auf der Rotorwelle
verschoben wird, ändert
sich der Anstellwinkel aller an den drehbaren Teil der Taumelscheibe
angelenkten Rotorblätter
kollektiv, so dass der Auftrieb des Hubschraubers verändert werden
kann. Durch eine Neigung der Taumelscheibe entsteht eine zyklische
Rotorblattverstellung, bei der die Rotorblätter jeweils an der gleichen Stelle
des Umlaufs steiler angestellt sind, als an der gegenüberliegenden
Stelle des Umlaufs. Durch diese zyklische Anstellwinkelveränderung
wird erreicht, dass die Blattspitzenebene ebenfalls geneigt wird und
damit der Hubschrauber eine Vortriebs- oder Seitenkraft erhält.
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Der
drehbare Teil der Taumelscheibe kann beispielsweise ein drehbar
angeordneter Innenring und der stationäre Teil der Außenscheibe
ein am Umfang des drehenden Innenrings angeordneter feststehender
Außenring
sein, der über
Steuerhebel gekippt und axial gegenüber der Rotorwelle verschoben werden
kann. Die Rotorwelle ist dabei durch den drehbar angeordneten Innenring
geführt
und mit diesem drehfest ge koppelt. Die Anordnung des drehbaren Teils
und des drehfesten Teils der Taumelscheibe kann auch in umgekehrter
Reihenfolge sein.
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Hubschrauberrotoren
erzeugen systembedingt insbesondere im Transitionsbereich vom Schwebe-
zum Vorwärtsflug
und im schnellen Vorwärtsflug
und dem Manöverflug
größere Vibrationen und
insbesondere im Landeanflug und im Bereich der Höchstgeschwindigkeit Lärm. Der
Rotorblatt-Spurlauf ist in der Regel flugzustandsabhängig. Ein schlechter
Spurlauf erzeugt Unwuchten, die zu Materialermüdung führen. Eine Einstellung des
Spurlaufs im Flug ist derzeit nicht in Serie realisiert.
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Bei
Hubschraubern tritt ein weiteres Problem auf, dass durch Strömungsablösungen bei
hohen Lastvielfachen, an den Flugbereichsgrenzen, oder im schnellen
Vorwärtsflug
Blattschwingungen erzeugt werden, die auch instabil sein können. Im
schnellen Vorwärtsflug
ist die Auftriebsverteilung in der Rotorebene sehr inhomogen und
nicht optimal ausgeschöpft.
Dies erfordert eine große
Antriebsleistung und schränkt
den Flugbereich ein bzw. beeinträchtigt die
Wirtschaftlichkeit. Am gegen die Flugrichtung vorlaufenden Rotorblatt
treten bei großen
Fluggeschwindigkeiten Stoßwellen
auf, die durch Annäherung
an die lokale Schallgeschwindigkeit entstehen.
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Es
wurde bisher unter anderem versucht, die genannten Probleme durch
eine individuelle Rotorblattansteuerung (IBC) bei Mehrblattrotoren
mit einer Steuerfrequenz des 2 bis N + 1-fachen der Rotordrehfrequenz
fR mit der Blattzahl N zu minimieren, wobei
die IBC-Stellglieder die Steuerstangen ersetzen. Dabei kann jedes
Rotorblatt individuell angesteuert werden. Eine solche Lösung mit
Stellgliedern im drehenden System führt nachteilig zu einem relativ
großen
Gesamtgewicht und erhöhten
Kosten. Zu dem ist es relativ aufwändig, die Energieübertragung in
das drehende System und die Betriebssicherheit im drehenden System
zu gewährleisten.
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Eine
IBC-Rotorblattansteuerung mit Stellgliedern unterhalb der Taumelscheibe,
also im nicht drehenden System, ist bislang nur bei Rotoren mit
bis zu drei Rotorblättern
möglich.
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Bekannt
ist auch eine höherharmonische Blattsteuerung
(HHC) mit Aktuatoren unterhalb der Taumelscheibe. Hierdurch ist
jedoch für
Rotoren mit mehr als drei Rotorblättern keine individuelle Rotorblattsteuerung
mehr möglich.
Das heißt,
dass alle Rotorblätter
nur in bestimmten Frequenzen ansteuerbar sind und dieselbe Steuerung
im Sinne von Frequenz, Amplitude und Phasenlage des Rotoblattanstellwinkels
erhalten, denn durch die Taumelscheibenkinematik ist der Steuerfrequenzbereich
zudem eingeschränkt.
Bei Mehrblattrotoren mit mehr als drei Rotorblättern kann eine höherharmonische
Blattsteuerung durch drei Aktuatoren im nicht drehenden System realisiert
werden, die auf die drei Aktuatoren zur Flugsteuerung aufgesetzt
oder in diese integriert werden. Auf Grund der kinematischen Kopplung über die
Taumelscheibe ist jedoch nur eine Steuerung mit den Vielfachen N – 1, N und
N + 1 der Rotordrehfrequenz fR, mit der
Blattzahl N, möglich.
Außerdem
sind keine individuellen Unterschiede zwischen der Steuerung der
verschiedenen Rotorblätter
möglich,
so dass die oben genannten Probleme nur teilweise minimiert werden
können.
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Bereits
bei einem Vierblattrotor ist eine Spurlaufeinstellung ebenso wenig
möglich,
wie eine Steuerung mit dem zweifachen der Rotordrehfrequenz zur
Lärmreduktion
und Optimierung des Leistungsbedarfs.
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Zur
Vermeidung von Taumelscheiben ist es aus der
GB 2 388 095 A bekannt, diese
alternativ durch gegenüberliegende
am Umfang des Rotorkopfs angeordnete Magnete zu ersetzen, die durch Einstellung
der Anzieh- und Abstoßkräfte zu einer axialen
Verschiebung bzw. Neigung des Rotorkopfes führen.
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Aus
der
JP 2002-316699 ist
es bekannt, bei Hubschraubern mit zwei übereinander angeordnet gegenläufig drehenden
Rotoren jeweils pro Rotorkopf eine Taumelscheibe vorzusehen, die
axial voneinander beabstandet auf der Rotorwelle angeordnet sind.
Dies ermöglicht
die konventionelle Steuerung separater Rotoren.
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DE 698 14 972 T2 beschreibt
eine individuelle Blattsteuerung für Drehflügelflugzeuge mit mehreren entlang
eines Rotormastes übereinander
angeordneten Taumelscheiben. Die Länge des Rotormastes wird hierdurch
nachteilig vergrößert. Dies
hat einen nachteiligen Einfluss auf die aerodynamischen Eigenschaften.
Zudem ist die Momentenbelastung erhöht, so dass die Mechanik des
Rotormastes beispielsweise durch einen vergrößerten Rotormastdurchmesser
angepasst werden muss.
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DE 1 481 673 B beschreibt
einen Rotorkopf für
ein Drehflügelflugzeug
mit zwei übereinander
liegenden Taumelscheiben. Die untere Taumelscheibe ermöglicht die
Steuerung des Hubschraubers, während
die obere Taumelscheibe direkt an die untere gekoppelt ist und sich
relativ zur unteren Taumelscheibe horizontal verschieben lässt. Auf
der rücklaufenden
Seite des Rotors wird eine abknickende und damit stabilisierende
Blatteinstellbewegung infolge eines aufschlagenden Rotorblattes
mechanisch ermöglicht.
Dies führt
zu einer Stabilisierung des Hubschraubers bei sehr guten Fluggeschwindigkeiten.
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DE 195 46 929 A1 beschreibt
ein System zur Steuerung eines Vierblattrotors, bei dem zur herkömmlichen
Taumelscheibe eine zweite Taumelscheibe oberhalb der ersten Taumelscheibe
angeordnet ist, die über
Wirkglieder und Hebelmechanismen im drehenden System an die erste
Taumelscheibe gekoppelt ist. Hierdurch wird der normalen Rotorsteuerfunktion
der Rotorblätter
eine feste Steuerfrequenz überlagert.
Damit sind positive Beeinflussungen von Lärm- und Leistungsbedarf möglich.
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WO 2005/082116 A2 beschreibt
ein mechanisches Rotorsteuersystem für Hubschrauber mit einem Gimbal-Rotorkopfsystem. Ähnlich wie
bei einem Kardangelenk lässt
sich bei einem solchen Rotorkopfsystem der eigentliche Rotorkopf
zentrumsfixiert und drehfest relativ zum Rotormast verkippen. Dies wird
mit Hilfe einer zweiten Taumelscheibe oberhalb der ersten Taumelscheibe
realisiert, dessen drehender Teil direkt mit dem Gimbal-Rotorkopf
verbunden ist und die mit Hilfe eines Wirkgliedes am nicht drehenden
Teil der Taumelscheibe relativ zum Rotormast verkippt werden kann.
Dadurch wird eine Verkippung der gesamten Rotordrehebene erreicht.
Im jeden Betriebszustand lässt
sich damit sozusagen die Lage der Zelle steuern. Dies hat den schnellen Flug
erhebliche aerodynamische Vorteile.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung zu schaffen, mit der auf zuverlässige Weise
eine individuelle Rotorblattsteuerung für Rotoren mit mehr als drei
Rotorblättern
möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird mit der Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst,
dass die Taumelscheiben am Umfang umeinander liegend angeordnet
sind.
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Die
Rotorblätter
werden somit auf mehrere Taumelscheiben mit maximal drei Rotorblättern je Taumelscheibe
aufgeteilt, wobei die Taumelscheiben nicht wie bislang übereinander,
sondern auf einer Ebene umeinander herum angeordnet sind.
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Durch
die Verwendung von zwei oder mehr Taumelscheiben, die jeweils zur
Ansteuerung einer Anzahl von zugeordneten Rotorblättern eingerichtet sind,
ist es möglich,
durch Stellglieder im nicht drehenden System eine individuelle Rotorblattsteuerung für jedes
Rotorblatt zu erzielen. Die Taumelscheibe wird, wie für die generelle
Flugsteuerung mit je drei Aktuatoren bekannt angesteuert, die die
Aufgabe der Flugsteuerung und der individuellen Rotorblattansteuerung
in sich vereinen. Dadurch, dass die weiteren Taumelscheiben die
inneren Taumelscheiben umfassen und auf einer Ebene mit diesen liegen, kann
die Höhe
der Rotorwelle verkürzt
werden. Dies hat den Vorteil eines reduzierten aerodynamischen Widerstands
und verringerten Momentenbelastung.
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Vorteilhafterweise
sind keine zusätzlichen Komponenten
im drehenden System sowie keine Energieübertragung in das drehende
System erforderlich. Die jeweils für die Flugsteuerung bereitgestellten Aktuatoren
können
zur individuellen Rotorblattsteuerung ausgenutzt werden. Die Stellglieder
(Aktuatoren) sollten dabei so ausgelegt werden, dass sie hochfrequent
im Sinne der Rotordrehfrequenz arbeiten können, d.h. mindestens mit dem
doppelten der Rotordrehfrequenz und maximal mit der Frequenz, die
sich aus dem Produkt der doppelten Rotordrehfrequenz und der Summe
aus der Anzahl der Rotorblätter
und zwei ergibt. Die Nutzung von zwei oder mehr Taumelscheiben hat
zudem den Vorteil, dass die Anzahl an Aktuatoren insgesamt im Vergleich
zur bisherigen Lösung
zur individuellen Rotorblattsteuerung geringer ist. Die individuelle
Rotorblattansteuerung ist zudem nicht auf eine konventionelle kollektive
1 zyklische Ansteuerung beschränkt
und stellt eine wesentlich größere Steuerautorität bereit.
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Die
Nutzung von zwei oder mehr Taumelscheiben hat im Vergleich zu bekannten
Implementierungen (IBC) von einzelnen Aktuatoren pro Rotorblatt
im drehenden System zudem ein geringeres Gesamtgewicht zur Folge.
Zudem kann die an sich bekannte Grundkonstruktion der Taumelscheiben
in Kombination mit den Aktuatoren weitergenutzt werden.
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Der
drehbare Teil einer Taumelscheibe ist vorzugsweise jeweils mit maximal
drei Rotorblattaufnahmen gelenkig verbunden. Für eine Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung
mit vier Rotorblättern können beispielsweise
zwei Taumelscheiben vorgesehen sein, wobei jede Taumelscheibe zwei
Rotorblätter
ansteuert. Insgesamt sind lediglich sechs Aktuatoren notwendig,
jeweils drei pro Taumelscheibe.
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Bei
einer Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung mit fünf Rotorblättern können zwei Taumelscheiben vorgesehen
sein, wobei eine Taumelscheibe zwei Rotorblätter und die andere drei Rotorblätter ansteuert.
Wiederum sind nur sechs Aktuatoren erforderlich.
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Bei
einer Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung mit sechs Rotorblättern sind
ebenfalls nur zwei Taumelscheiben erforderlich, von denen jede Taumelscheibe
jeweils drei Rotorblätter
ansteuert. Auch hier sind nur sechs Aktuatoren erforderlich.
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Bei
einer Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung mit sieben Rotorblättern sind
drei Taumelscheiben erforderlich, von denen eine drei Rotorblätter und die
anderen beiden nur zwei Rotorblätter
ansteuern. Zur Ansteuerung sind neun Aktuatoren erforderlich, jeweils
drei pro Taumelscheibe. Für
mehr Rotorblätter
gilt analoges.
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Bei
einer Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung mit neun Rotorblättern sind
drei Taumelscheiben erforderlich, von denen jede drei Rotorblätter ansteuert.
Auch hier sind neun Aktuatoren zur Ansteuerung der Taumelscheiben
notwendig.
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Es
wird deutlich, dass für
die Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung für entsprechend bis zu je drei
Rotorblätter
jeweils eine Taumelscheibe vorzusehen ist.
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Jede
Taumelscheibe ist an ihrem stationären Teil mit jeweils drei Taumelscheiben-Stellgliedern zur Verkippung
und axialen Verschiebung des stationären Teils der Taumelscheibe
verbunden.
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Der
drehbare Teil der Taumelscheibe ist über Steuerstangen gelenkig
mit den zugeordneten Rotorblättern
verbunden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit der beigefügten Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 – Skizze
einer Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung mit zwei umeinander liegenden Taumelscheiben.
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1 lässt eine
Hubschrauber-Rotorsteuereinrichtung 1 erkennen. Mit einem
Triebwerk 2 ist über
eine Rotorwelle 3 ein Rotor 4 so antreibbar, dass
dieser in Drehung versetzt werden kann. Der Rotor 4 hat
einen Rotorkopf 5, an dem über Rotorblattaufnahmen 6 um
ihre Längsachse
drehbar Rotorblätter 7 angelenkt
werden. Die Drehrichtung der Rotorwelle 3 sowie die Drehrichtung
der Rotorblätter 7 sind
mit Pfeilen angedeutet.
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Um
nun eine individuelle Verstellung des Anstellwinkels der einzelnen
Rotorblätter 7 zu
ermöglichen
ist eine erste Taumelscheibe 8 mit einem drehbaren Teil 9 vorgesehen,
der drehfest an den Rotorkopf 5 angelenkt ist. Weiterhin
hat die erste Taumelscheibe 8 einen drehfest zur Rotorwelle 3 und
zur Achse der Rotorwelle 3 axial verschiebbaren und drehbar
gelagerten stationären
Teil 10, der mit drei Stellgliedern 11a, 11b (11c nicht
gezeigt) betätigt werden
kann. Der drehbare Teil 9 ist mit Steuerstangen 12a, 12b mit
zugeordneten Rotorblattaufnahmen 6 so verbunden, dass der
Anstellwinkel der von den jeweiligen Rotorblattaufnahmen 6 aufgenommenen Rotorblätter 7 entsprechend
der Betätigung
der Taumelscheibe 8 verändert
werden kann.
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Um
diese erste Taumelscheibe 8 herum liegend ist eine zweite
Taumelscheibe 13 angeordnet, die ihrerseits wiederum einen
in dem dargestellten Beispiel als Innenring ausgeführten drehbaren
Teil 14 und einen um den drehbaren Teils 14 herum
liegenden stationären
Teil 15 hat. Der stationäre Teil 15 wirkt mit
dem drehbaren Teil 14 in an sich bekannter Weise so zusammen,
dass durch die Betätigung
des stationären
Teils 15 mit Stellgliedern 16a, 16b (und 16c nicht
gezeigt) die auf den Umfang der Taumelscheibe 13 verteilt
sind, die Taumelscheibe axial zur Rotorwelle 3 verschoben
und in alle Richtungen zur Rotorwelle 3 kippbar ist. Der
drehbare Teil 14 der Taumelscheibe ist wiederum über Steuerstangen 17a, 17b mit
zugeordneten Rotorblättern 7 verbunden,
um den Anstellwinkel dieser Rotorblätter 7 individuell
zu verstellen.
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Alternativen
zu dem dargestellten Beispiel beispielsweise mit übereinander
liegenden Taumelscheiben 8, 13 oder einer Kombination
aus umeinander und übereinander
liegenden Taumelscheiben sind gleichfalls möglich.
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Mit
Hilfe einer geeigneten Regelung der Stellglieder 11, 16 mit
an sich für
konventionelle IBC- oder HHC-Systeme verfügbaren Regelalgorithmen ist
es nunmehr möglich,
jedes Rotorblatt 7 völlig
unabhängig
von allen anderen Rotorblättern 7 anzusteuern.
So ist es möglich,
jedem Rotorblatt 7 einen anderen statischen Anteil des
Steuerwinkels zu vermitteln, was die Einstellung des Blattspurlaufs
in jeder Flugsituation erlaubt.
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Auch
ist es möglich,
jedem Rotorblatt 7 einen anderen dynamischen Anteil des
Steuerwinkels zu vermitteln, was zur Vibrationsminderung, Lärmminderung
und Leistungseinsparung oder zur Erweiterung des Flugbereichs genutzt
werden kann.
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Insbesondere
können
damit auch individuelle Unterschiede im Schwingungsverhalten der
Rotorblätter 7 untereinander
kompensiert werden.