DE102012100102A1

DE102012100102A1 - Hubschrauberkonfiguration

Info

Publication number: DE102012100102A1
Application number: DE102012100102A
Authority: DE
Inventors: Markus Raffel; Kai Richter; Anthony Gardner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2012-01-06
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-07
Also published as: FR2985500A1; US20130175386A1; DE102012100102B4; US8807476B2; FR2985500B1

Abstract

Ein Hubschrauber (1) mit einem Horizontalrotor (2), der um eine vertikale Rotorachse (4) drehangetrieben ist und mit mindestens einem von der Rotorachse (4) weg abstehenden Ausleger (9), wobei der Ausleger einen Profilkörper (16) mit zwischen einer Vorderkante (17) und einer Hinterkante (18) verlaufenden aerodynamisch wirksamen Flächen (20) aufweist, um im Vorwärtsflug des Hubschraubers (1) Auftrieb zu erzeugen, weist den mindestens einen Ausleger (9) asymmetrisch unter der im Vorwärtsflug des Hubschraubers (1) zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors (2) angeordnet auf, um im Vorwärtsflug des Hubschraubers (1) selektiv Auftrieb auf der zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors (2) zu erzeugen. Dabei ist der Profilkörper (16) um eine parallel zur Hauptachse (21) des Auslegers (9) verlaufende Schwenkachse verschwenkbar oder verformbar, um im Schwebeflug des Hubschraubers (1) seine dem Horizontalrotor (2) zugewandte Querschnittsfläche gegenüber dem Vorwärtsflug zu reduzieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubschrauber mit einem Horizontalrotor, der um eine vertikale Rotorachse drehangetrieben ist, und mit einem von der Rotorachse weg abstehenden Ausleger sowie mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Soweit hier von einem Horizontalrotor und im Folgenden auch von einem Vertikalrotor die Rede ist, bedeutet dies nicht zwingend, dass der jeweilige Rotor exakt in einer horizontalen bzw. vertikalen Ebene umläuft oder die jeweilige Rotorachse exakt vertikal oder horizontal verläuft. Insbesondere ist es bei einem Hubschrauber üblich, dass zumindest ein Teil seines Vorschubs durch Neigung der Rotorachse seines Horizontalrotors nach vorne erreicht wird.
STAND DER TECHNIK
Bei Hubschraubern bedürfen zwei Phänomene besonderer Aufmerksamkeit. Zum einen ist ein Gegenmoment zu dem Drehmoment des um die vertikale Rotorachse angetriebenen Horizontalrotor bereitzustellen, damit der Rest des Hubschraubers nicht in eine zu seinem Horizontalrotor gegenläufige Drehbewegung versetzt wird.
Zum anderen resultiert beim Vorwärtsflug eines Hubschraubers aus der Drehbewegung seines Horizontalrotors eine erheblich unterschiedliche Anströmung der Rotorblätter auf der vorlaufenden und auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors. Auf der vorlaufenden Seite bewegen sich die Rotorblätter schneller in Vorwärtsrichtung als der Rest des Hubschraubers und werden so entsprechend schneller von der Luft in der Umgebung des Hubschraubers angeströmt. In der Folge entwickeln die Rotorblätter auf der vorlaufenden Seite des Horizontalrotors bereits bei kleinem Anstellwinkel einen vergleichsweise großen Auftrieb.
Auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors hingegen bewegen sich die Rotorblätter relativ zu dem Rest des Hubschraubers entgegen der Richtung, in der der Gesamthubschrauber vorwärts fliegt. Hieraus resultiert eine deutlich geringere Anströmgeschwindigkeit der Rotorblätter mit – bei gleichem Anstellwinkel – entsprechend geringerem Auftrieb auf der rücklaufenden Seite. Im Innenbereich des Horizontalrotors, wo die Umfangsgeschwindigkeiten der Rotorblätter geringer sind, können auch Rückanströmungen der Rotorblätter auftreten, die mit einem Abtrieb verbunden sind.
Zum Bereitstellen des Gegenmoments zu dem Drehmoment des Horizontalrotors ist es bekannt, einen weiteren, gegenläufig drehangetriebenen Horizontalrotor vorzusehen. Die üblichere Maßnahme ist jedoch ein Heckrotor an einem Heckausleger des Hubschraubers. Ein solcher Heckrotor wird bei bekannten Hubschraubern in starrer Getriebekopplung mit dem Horizontalrotor angetrieben. Unterschiedliche Drehmomente auf den Rest des Hubschraubers werden dabei durch unterschiedliche Anstellwinkel von Rotorblättern des Heckrotors, bei dem es sich um einen um eine horizontale Achse rotierenden Vertikalrotor handelt, eingestellt. Ein Heckrotor kann auch ummantelt sein und wird dann als Fenestron bezeichnet. Die Ummantelung des Heckrotors führt dazu, dass er bei höherer Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers nicht in ungünstiger Weise radial angeströmt wird. Zudem reduziert die Ummantelung des Heckrotors die Gefahr einer Kollision mit den rotierenden Rotorblättern, die für Personen, welche sich dem gelandeten Hubschrauber nähern, nur schwer sichtbar sind.
Im Vorwärtsflug eines Hubschraubers kann der Heckrotor durch ein Seitenleitwerk am Ende des Heckauslegers unterstützt und dadurch sogar überflüssig werden. Ein solches Seitenleitwerk am Ende des Heckauslegers sorgt auch dafür, dass ein Hubschrauber bei ausfallendem Antrieb des Horizontalrotors und Autorotation des Horizontalrotors aufgrund der Sinkgeschwindigkeit des Hubschraubers in seiner Flugrichtung stabilisiert bleibt.
Dem Phänomen der unterschiedlichen Anströmgeschwindigkeiten der Rotorblätter eines Hubschraubers auf der vorlaufenden und der rücklaufenden Seite seines Horizontalrotors wird grundsätzlich damit begegnet, dass der Anstellwinkel der Rotorblätter bei jedem Umlauf um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors periodisch zwischen einem kleinen Anstellwinkel auf der vorlaufenden Seite und einem großen Anstellwinkel auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors variiert wird. Dennoch stellt dieses Phänomen eine Grenze der mit einem Hubschrauber erreichbaren Geschwindigkeit im Vorwärtsflug dar, da der maximale Anstellwinkel durch die Gefahr einer Strömungsablösung mit einhergehendem Einbruch des Auftriebs begrenzt ist.
Als Hubschrauber für höhere Vorwärtsgeschwindigkeiten ist der Eurocopter X³ bekannt. Hierbei handelt es sich um einen Hybrid-Flugschrauber, der am Rumpf unterhalb seines Horizontalrotors zwei seitliche Stummelflügel mit jeweils einem großen, um eine in Vorwärtsrichtung ausgerichteten Propeller aufweist. Diese Propeller übernehmen neben der Erhöhung des Vortriebs des Hubschraubers auch die Funktion des Heckrotors. Der Eurocopter X³ weist einen Heckausleger mit einem doppelten Seitenleitwerk auf. Bei höheren Vorwärtsgeschwindigkeiten wird die Umdrehungszahl des Horizontalrotors verringert, um Überschallgeschwindigkeiten der Rotorblätter zu vermeiden. Dann tragen die Stummelflügel wesentlich zur Bereitstellung des benötigten Auftriebs bei.
Zur Erreichung höherer Fluggeschwindigkeiten sind bei dem bekannten Hubschrauber Lockheed AH-56 Stummelflügel am Rumpf unterhalb des Horizontalrotors und neben dem üblichen Heckrotor ein zusätzlicher Druckpropeller am Heckausleger vorgesehen.
Bei dem bekannten Hubschrauber Sikorsky Piasecki X-49 ist neben Stummelflügeln am Rumpf unterhalb des Horizontalrotors ein ummantelter Schubpropeller am Heckausleger vorgesehen, wobei die von diesem hervorgerufene Luftströmung mit Klappen seitlich ausgelenkt werden kann, um den Drehmomentausgleich herbeizuführen, für den üblicherweise der um eine Querachse rotierende Heckrotor eines Hubschraubers vorgesehen ist.
Bei allen Hubschraubern mit Stummelflügeln unterhalb des Horizontalrotors treten ganz erhebliche mechanische Belastungen der Stummelflügel während des Schwebeflugs des jeweiligen Hubschraubers auf. Im Schwebeflug drückt der Horizontalrotor die Umgebungsluft zur Auftriebserzeugung senkrecht nach unten. Diese Luftströmung trifft von oben auf die Stummelflügel. Dabei ist diese Luftströmung keine homogene Luftströmung sondern sie weist Wirbel und zum Teil auch Verdichtungsstöße auf, die erhebliche gegenläufige Beschleunigungen der Stummelflügel hervorrufen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubschrauber aufzuzeigen, der aufgrund seiner grundsätzlichen Konfiguration gute Voraussetzungen für das Erreichen hoher Fluggeschwindigkeiten aufweist und zugleich die oben geschilderten Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Hubschrauber mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hubschraubers sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem erfindungsgemäßen Hubschrauber mit einem Horizontalrotor, der um eine vertikale Rotorachse drehangetrieben ist, und mit mindestens einem von der Rotorachse weg abstehenden Ausleger, wobei der Ausleger einen Profilkörper mit zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante verlaufenden aerodynamisch wirksamen Flächen aufweist, um im Vorwärtsflug des Hubschraubers Auftrieb zu erzeugen, ist der mindestens eine Ausleger asymmetrisch unter der im Vorwärtsflug des Hubschraubers zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors angeordnet, um im Vorwärtsflug des Hubschraubers selektiv Auftrieb auf der zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors zu erzeugen, und ist sein Profilkörper um eine parallel zu der Hauptachse des Auslegers verlaufende Schwenkachse verschwenkbar oder verformbar, um im Schwebeflug des Hubschraubers seine dem Horizontalrotor zugewandte Querschnittsfläche gegenüber dem Vorwärtsflug zu reduzieren und um so im Schwebeflug der von dem Horizontalrotor nach unten geförderten Luft eine reduzierte Angriffsfläche zu bieten.
Ein erfindungsgemäßer Hubschrauber ist im Hinblick auf den mindestens einen Ausleger asymmetrisch, d. h. nicht spiegelsymmetrisch bezüglich der Längsmittelebene des Hubschraubers ausgebildet. Es ist zwar nicht ausgeschlossen, dass ein erfindungsgemäßer Hubschrauber an entsprechender Stelle auf der vorlaufenden Seite des Horizontalrotors auch einen Ausleger aufweist. Dieser weitere Ausleger ist aber dann wesentliche kleiner als der mindestens eine Ausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers. Vorzugsweise ist ein solcher weiterer Ausleger an dem Hubschrauber unter der vorlaufenden Seite seines Horizontalrotors nicht vorhanden.
Der einseitig auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors angeordnete Ausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers stellt mit seinem Profilkörper bzw. dessen aerodynamisch wirksamen Flächen im Vorwärtsflug selektiv Auftrieb auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors bereit. Dadurch wird der Horizontalrotor auf seiner rücklaufenden Seite von der Auftriebserzeugung entlastet. Auf der vorlaufenden Seite des Horizontalrotors wird bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber Auftrieb jedoch zumindest im Wesentlichen und normalerweise ausschließlich von dem Horizontalrotor erzeugt.
Um den Ausleger mit dem Profilkörper des erfindungsgemäßen Hubschraubers im Schwebeflug mechanisch zu entlasten, ist der Profilkörper aus seiner auftrieberzeugenden Stellung bzw. Form im Vorwärtsflug so um eine parallel zur Hauptachse des Auslegers verlaufende Schwenkachse verschwenkbar oder verformbar, dass seine dem Horizontalrotor zugewandte Querschnittsfläche wesentlich reduziert ist. Gegenüber dem Vorwärtsflug beträgt diese Reduktion typischerweise mindestens 50 %, vorzugsweise sogar mindestens 75 %. Entsprechend finden Druckstöße und Wirbel in der im Schwebeflug von dem Horizontalrotor hervorgerufenen abwärts gerichteten Luftströmung eine deutlich reduzierte Angriffsfläche an dem Profilkörper. Dies ist insbesondere bei für die Auftriebserzeugung im Vorwärtsflug vergleichsweise großen aerodynamisch wirksamen Flächen des Profilkörpers von erheblichem Vorteil.
Der mindestens eine Ausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers kann quer zu einer Längsmittelebene des Hubschraubers abstehen. Er kann dabei konkret auf Höhe der Vertikalachse des Horizontalrotors am Rumpf des Hubschraubers gelagert sein.
Es ist aber auch möglich, den mindestens einen Ausleger unter einem Winkel, beispielsweise im Bereich von 30° bis 60°, d. h. ungefähr 45° zu der Längsmittelebene des Hubschraubers nach hinten abstehen zu lassen. In diesem Fall kann der Ausleger trotz seiner asymmetrischen Anordnung auch noch Aufgaben eines üblichen Heckauslegers, wie beispielsweise die Richtungsstabilisierung des erfindungsgemäßen Hubschraubers bei Ausfall seines Rotorantriebs übernehmen. Dabei mag eine Stabilisierung in Richtung der Hauptachse des Auslegers von der vertikalen Rotorachse des Horizontalrotors zu einem Seitenleitwerk am Ende des Auslegers erfolgen, was jedoch unkritisch ist. Ebenso mag es sinnvoll sein, den Vorwärtsflug eines erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einem geneigt zur Längsmittelebene des Hubschraubers nach hinten verlaufenden Ausleger in Richtung der Hauptachse des Auslegers schiebend zu beginnen und den Hubschrauber erst nach Aufnahme von Vorwärtsgeschwindigkeit mit seiner Längsmittelebene in der Vorwärtsrichtung auszurichten.
Grundsätzlich kann der Ausleger eines erfindungsgemäßen Hubschraubers auch um eine vertikale Schwenkachse, beispielsweise eine vertikal verlaufende Hauptachse seines Rotorantriebs gegenüber dem Rest des Hubschraubers verschwenkbar gelagert sein, um ihn beispielsweise im Schwebeflug sowie beim Start und bei der Landung mit geringer Vorwärtsgeschwindigkeit in der Längsmittelebene des Hubschraubers auszurichten und um ihn nur für den Vorwärtsflug erfindungsgemäß unter der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors anzuordnen.
Der Profilkörper des mindestens einen Auslegers des erfindungsgemäßen Hubschraubers ist vorzugsweise so weit um seine Schwenkachse verschwenkbar, dass seine Hinterkante in einer vertikalen Projektion von Rotorblättern des Horizontalrotors eher überstrichen wird als seine Vorderkante. Dies erlaubt es insbesondere im Schwebeflug, mit Hilfe des mindestens einen Auslegers das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors zu erzeugen, indem der Profilkörper mit seinen aerodynamisch wirksamen Flächen die von dem Horizontalrotor hervorgerufene vertikale Luftströmung entsprechend umlenkt.
Damit der Profilkörper eine derartige Schwenkstellung einnimmt und in dieser gehalten wird, ist es erforderlich, dass der Profilkörper aktiv verschwenkbar ist. Grundsätzlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber jedoch möglich, dass der Profilkörper nur passiv verschwenkbar ist, d. h. über keinen Schwenkantrieb verfügt, wie er für ein aktives Verschwenken benötigt wird. So kann der Profilkörper passiv gegen einen im Vorwärtsflug wirksamen Anschlag verschwenkbar sein, der den mit dem Profilkörper generierten Auftrieb abstützt. Ohne die den Auftrieb im Vorwärtsflug des Hubschraubers generierende Anströmung, die den Profilkörper mit seinen aerodynamisch wirksamen Flächen im Wesentlichen horizontal ausrichtet, kann die Hinterkante des Profilkörpers dann absinken, bis sie im Schwebeflug unter der Vorderkante des Profilkörpers angeordnet ist. Das Absinken der Hinterkante kann durch eine Rückstellfeder unterstützt sein. Weiterhin kein ein Dämpfer für die Schwenkbewegung des Profilkörpers vorgesehen sein.
An dem mindestens einen Ausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers muss kein Vertikalrotor vorgesehen sein. Dies gilt selbst dann, wenn es sich bei ihm um den einzigen Ausleger des Hubschraubers handelt. Wenn der Ausleger keinen Vertikalrotor aufweist und der einzige Ausleger des Hubschraubers ist, muss jedoch sein Profilkörper aktiv verschwenkbar sein, um in die Schwenkstellung gebracht werden zu können, in der er im Schwebeflug des Hubschraubers das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors erzeugt.
Wenn bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber ein weiterer Ausleger mit einem Vertikalrotor vorgesehen ist, besteht keine Notwendigkeit, einen zusätzlichen Vertikalrotor an dem mindestens einen Ausleger vorzusehen.
Bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber besteht jedoch immer die Möglichkeit, an dem freien Ende des mindestens einen Auslegers einen Vertikalrotor mit tangential zur Umfangsrichtung um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors ausgerichteter horizontaler Rotorachse vorzusehen, um mit diesem das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors zu erzeugen. Die Rotorachse des Vertikalrotors muss bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber nicht exakt tangential zur Umfangsrichtung um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors ausgerichtet sein. Bei einem geneigt zur Längsmittelebene des Hubschraubers nach hinten verlaufenden Ausleger kann sie zum Beispiel gegenüber einer exakt tangentialen Ausrichtung in Richtung auf eine parallele Ausrichtung zur Längsmittelebene des Hubschraubers hin verdreht sein, um den Vertikalrotor im Vorwärtsflug besser zur Vortriebserzeugung nutzen zu können. Grundsätzlich kann die Rotorachse des Vertikalrotors auch verschwenkbar sein, um ihre Ausrichtung an die jeweilige Flugsituation anzupassen.
Aufgrund der Anordnung des mindestens einen Auslegers außerhalb der Längsmittelebene des erfindungsgemäßen Hubschraubers kann ein solcher, um eine tangential zur Umfangsrichtung verlaufende horizontale Rotorachse umlaufender Vertikalrotor auch zur Generierung von Vorschub für den Hubschrauber verwendet werden. Dazu kann der Vertikalrotor für eine Schubrichtungsumkehr längs seiner Rotorachse ausgebildet sein. Hierfür ist insbesondere eine über die Neutralstellung hinausgehende Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter des Vertikalrotors geeignet.
Bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber kann der Vertikalrotor an dem mindestens einen Ausleger ummantelt sein, da dieser noch mehr als ein Vertikalrotor an einem üblichen Heckausleger mit der Gefahr verbunden ist, von Personen, die sich dem Hubschrauber seitlich nähern, im rotierenden Zustand übersehen zu werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber kann neben dem mindestens einen Ausleger ein Heckausleger mit einem Seitenleitwerk in einer Längsmittelebene des Hubschraubers vorgesehen sein. Ein solcher Heckausleger kann die Notfalleigenschaften des Hubschraubers beim Ausfall seine Rotorantriebs verbessern. Mit dem Seitenleitwerk kann überdies im Vorwärtsflug das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors erzeugt werden. Darüber hinaus kann an einem solchen Heckausleger auch ein Vertikalrotor als zusätzlicher Schubpropeller und/oder zum Erzeugen eines Gegenmoments zum Drehmoment des Horizontalrotors im Schwebeflug vorgesehen sein.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass der mindestens eine Ausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers, dessen einziger Ausleger ist. In diesem Fall ist jedoch dafür Sorge zu tragen, dass auch im Vorwärtsflug des Hubschraubers ein passendes Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors erzeugt werden kann. Hierzu kann an dem Ausleger ein Vertikalrotor vorgesehen werden, dessen Rotorblätter unterschiedlich anstellbar sind. Bei einem schräg nach hinten abstehenden Ausleger kann ein einstellbares Gegenmoment im Vorwärtsflug wie bei einem zusätzlichen Heckausleger auch durch ein verstellbares Seitenruder erzeugt werden. D. h., bei einem erfindungsgemäßen Hubschrauber kann es sinnvoll sein, an dem Ausleger oder einem etwaigen zusätzlichen Heckausleger nicht nur ein passives Seitenleitwerk sondern ein verstellbares Seitenruder vorzusehen. Damit kann das durch die Anströmung des Seitenruders im Vorwärtsflug verursachte Gegenmoment zum Drehmoment des Horizontalrotors variiert werden. Diese Variationsmöglichkeit ist insbesondere bei einem erfindungsgemäßen Hubschrauber ohne Vertikalrotor an allen seinen Auslegern von Vorteil. Eine grundsätzliche Variationsmöglichkeit in Bezug auf das Gegenmoment im Vorwärtsflug ist schon durch Ändern des Anstellwinkels des Profilkörpers des Auslegers gegeben. Der Strömungswiderstand des Auslegers erzeugt ein Gegenmoment, das sich mit dem Anstellwinkel des Profilkörpers ändert, allerdings ebenso wie der von dem Profilkörper im Vorwärtsflug erzeugte Auftrieb.
Bevorzugt ist es bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber, wenn der Profilkörper des mindestens einen Auslegers in sich starr ist und zumindest über die wesentliche Erstreckung des mindestens einen Auslegers längs seiner Hauptachse alle aerodynamisch wirksamen Flächen des Auslegers ausbildet. Insbesondere kann der Profilkörper eine tragende Struktur des Auslegers über diese wesentliche Erstreckung des Auslegers umhüllen. Der Profilkörper ist dann um diese tragende Struktur herum verschwenkbar. Aber auch wenn außerhalb des Profilkörpers Teile einer tragenden Struktur für den Ausleger vorgesehen sind, können sich die aerodynamisch wirksamen Flächen des Auslegers ganz auf dem Profilkörper konzentrieren.
Bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber kann der Ausleger auch mehrere, insbesondere zwei in Doppeldeckerkonfiguration übereinander angeordnete Profilkörper mit aerodynamisch wirksamen Flächen aufweisen, um die bekannten Stabilitätsvorteile einer derartigen Doppeldeckeranordnung auszunutzen.
Alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hubschraubers, bei denen kein zusätzlicher Heckausleger neben dem mindestens einen Ausleger vorgesehen ist, sind mit dem Vorteil verbunden, dass das Heck des Rumpfs des Hubschraubers frei zugänglich ist, weil es nicht durch den Heckausleger blockiert ist. Entsprechend kann der Hubschrauber eine verglichen mit Hubschraubern mit Heckausleger größere, seine Beladung erleichternde Heckklappe aufweisen. Eine wesentliche Behinderung des Zugangs zum Rumpf des erfindungsgemäßen Hubschraubers durch den mindestens einen Ausleger ergibt sich im Übrigen nicht, zumal dieser mindestens eine Ausleger in einem Bereich am Rumpf des Hubschraubers gelagert sein kann, in dem keine Tür oder dgl. vorgesehen ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 zeigt in einer Seitenansicht, einer Ansicht von oben und einer Ansicht von vorne einen erfindungsgemäßen Hubschrauber in einer ersten Ausführungsform, wobei der Hubschrauber einen schräg nach hinten abstehenden Ausleger aufweist und im Schwebeflug dargestellt ist.
2 zeigt den Hubschrauber gemäß 1 in 1 entsprechenden Ansichten im Vorwärtsflug.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubschrauber, wobei der Hubschrauber einen seitlichen Ausleger mit einem Vertikalrotor und einen Heckausleger mit Seitenleitwerk aufweist, in 1 entsprechenden Ansichten im Schwebeflug.
4 zeigt den Hubschrauber gemäß 3 in 1 entsprechenden Ansichten im Vorwärtsflug.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubschrauber in einer dritten Ausführungsform, die sich gegenüber der Ausführungsform gemäß den 3 und 4 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass an den seitlichen Ausleger kein Vertikalrotor vorgesehen ist, in 1 entsprechenden Ansichten im Schwebeflug.
6 zeigt den Hubschrauber gemäß 5 in 1 entsprechenden Ansichten im Übergang zum Vorwärtsflug.
7 zeigt den Hubschrauber gemäß 5 und 6 in 1 entsprechenden Ansichten im Vorwärtsflug; und
8 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubschrauber in einer Abwandlung der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 ohne Vertikalrotor an dem schräg abstehenden Ausleger.
FIGURENBESCHREIBUNG
Der in 1 gezeigte Hubschrauber 1 weist einen Horizontalrotor 2 mit Rotorblättern 3 auf, der um eine vertikale Rotorachse 4 drehangetrieben ist. Dazu ist im Rumpf 5 des Hubschraubers 1 ein Rotorantrieb 6 vorgesehen. Die vertikale Rotorachse 4 verläuft in einer Längsmittelebene 7, die der Zeichenebene von 1(a) entspricht und die in 1(c) mit der Rotorachse 4 zusammenfällt. Die Rotorblätter 3 des Horizontalrotors 2, die in Richtung eines Pfeils 8 gemäß 1(b) um die Rotorachse 4 umlaufen, schlagen auf der bezüglich der Längsmittelebene 7 in 1(b) oberen und in 1(c) linken Seite des Horizontalrotors 2 nach vorne und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite des Horizontalrotors 2 nach hinten. Diese gegenüberliegende Seite des Horizontalrotors 2 wird daher auch als rücklaufende Seite des Horizontalrotors 2 bezeichnet. Ein Ausleger 9 des Hubschraubers 1 ist in bezüglich der Längsmittelebene 7 asymmetrischer Anordnung auf dieser rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2 vorgesehen, wobei er unter einem Winkel 10 von knapp 45° zu der Längsmittelebene 7 verläuft. Anders als bei einem in der Längsmittelebene 7 verlaufenden Heckausleger eines Hubschraubers, belässt der Ausleger 9 eine Heckklappe 11 des Hubschraubers 1 von hinten frei zugänglich. Der Ausleger 9 des Hubschraubers 1 unterscheidet sich von einem herkömmlichen Heckausleger eines Hubschraubers aber nicht nur bezüglich seiner Ausrichtung zur Längsmittelebene 7. Darüber hinaus ist ein synchron mit dem Horizontalrotor 2 angetriebener Vertikalrotor 12 an dem Heckausleger nicht in der oder parallel zu der Längsmittelebene 7 angeordnet, sondern mit seiner horizontalen Rotorachse 13 unter einem Winkel von ca. 45 ° zu der Längsmittelebene 7 aber auch so im Wesentlichen tangential zur Umfangsrichtung um die vertikale Rotorachse 4 des Horizontalrotors 2. Er ist damit darauf abgestimmt, ein Gegenmoment zum Drehmoment des drehangetriebenen Horizontalrotors zu erzeugen, um eine gegenläufige Drehung des Rumpfs 5 zu verhindern. Weiterhin sind an dem Ausleger 9 ein Seitenleitwerk 14 und ein Höhenleitwerk 15 vorgesehen, wobei das Seitenleitwerk 14 parallel zu der Längsmittelebene 7 ausgerichtet ist. Als besonderes Bauteil umfasst der Ausleger 9 darüber hinaus einen Profilkörper 16 mit zwischen einer Vorderkante 17 und einer Hinterkante 18 verlaufenden aerodynamisch wirksamen Flächen 19 und 20, wobei dieser Profilkörper 16 um eine Hauptachse 21 des Auslegers 9 herum verschwenkbar ist, um mit den aerodynamischen Flächen 19 und 20 verschiedene aerodynamische Kräfte zu erzeugen.
In 1 ist die Hinterkante 18 des Profilkörpers 9 auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2 leicht nach vorne gerichtet, so dass sie in der vertikalen Projektion gemäß 1(b) von den Rotorblättern 3 eher als die Hinterkante 17 überstrichen wird. Dies hat zur Folge, dass der Profilkörper 16 insbesondere mit seiner aerodynamisch wirksamen Fläche 19 die im Schwebeflug von dem Horizontalrotor 2 erzeugte abwärts gerichtete Luftströmung nach vorne umlenkt und so ein Gegenmoment zum Drehmoment des Horizontalrotors 2 aufbringt. Bei dem Hubschrauber 1 gemäß 1 könnte in dem in 1 gezeigten Schwebeflug die Hinterkante 18 aber auch vertikal unter der Vorderkante 17 angeordnet werden, so dass sich der Profilkörper 16 neutral verhält, weil das Gegenmoment allein mit dem Vertikalrotor 12 aufgebracht werden kann.
In dem in 2 skizzierten Vorwärtsflug des Hubschraubers 1 gemäß 1 ist der Profilkörper 9 in eine Stellung mit kleinem Anstellwinkel zur horizontalen Anströmung und dabei hinten liegender Hinterkante 18 verschwenkt und generiert so einen Auftrieb auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2. Auf dieser rücklaufenden Seite fehlt es im Vorwärtsflug des Hubschraubers 1 typischerweise an derartigem Auftrieb, weil die Anströmgeschwindigkeit der Rotorblätter 3 durch deren Rückwärtsbewegung in Bezug auf die Vorwärtsbewegung des Hubschraubers 1 reduziert ist, was bei höheren Fluggeschwindigkeiten nur schwer oder überhaupt nicht mehr durch einen höheren Anstellwinkel der Rotorblätter 3 auf der rücklaufenden Seite kompensiert werden kann. Das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 kann im Vorwärtsflug neben einem Strömungswiderstand des Auslegers 9 auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2 durch das Seitenleitwerk 14 erzeugt werden. Mit dem Vertikalrotor 12 kann dann sogar zusätzlicher Vorschub für den Hubschrauber 1 generiert werden, indem seine Schubrichtung durch Umkehrung des Anstellwinkels seiner Rotorblätter gegenüber der Einstellung im Schwebeflug gemäß 1 umgekehrt wird.
Beim Ausfall des Rotorantriebs 6 sinkt der Hubschrauber 1, wodurch der angeströmte Horizontalrotor 2 in Autorotation versetzt wird und weiter Auftrieb erzeugt. Dabei wird die Flugrichtung des Hubschraubers 1 durch den Ausleger 9, insbesondere dessen Seitenleitwerk 14 und auch sein Höhenleitwerk 15 stabilisiert. Allerdings wird diese Stabilisierung nicht in einer in der Längsmittelebene 7 verlaufenden Richtung sondern in einer zwischen der Längsmittelebene 7 und der Hauptachse 21 des Auslegers 9 verlaufenden Richtung erfolgen. In dieser schiebenden Richtung kann auch der Vorwärtsflug des Hubschrauber 1 begonnen werden.
Der in 3 im Schwebeflug gezeigte Hubschrauber 1 weist neben einem im Bereich der vertikalen Rotorachse 4 quer zur Hauptmittelebene abstehenden Ausleger 9 mit dem Profilkörper 16 und dem Vertikalrotor 12 einen separaten Heckausleger 22 mit dem Seitenleitwerk 14 und dem Höhenleitwerk 15 in der Längsmittelebene 7 auf. Dieser Heckausleger 22 dient zur passiven Stabilisierung des Hubschraubers 1 beim Ausfall seines Rotorantriebs 6 und zum Aufbringen des Gegenmoments zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 im in 4 dargestellten Horizontalflug des Hubschraubers 1. Im in 3 dargestellten Schwebeflug des Hubschraubers 1 ist der Heckausleger 22 jedoch weitgehend funktionslos. Damit hier das Höhenleitwerk 15 nicht den Wirbel- und Rückstößen der von dem Horizontalrotor 2 generierten abwärts gerichteten Luftströmung ausgesetzt ist, kann der Heckausleger 22 auch länger ausgebildet sein und bis hinter den Horizontalrotor 2 führen. Der Profilkörper 16 ist gemäß 3 mit seiner Vorderkante 17 nach oben und seiner Hinterkante 18 nach unten so ausgerichtet, dass er möglichst keine aerodynamischen Kräfte erzeugt. Das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 wird hier ausschließlich mit dem Vertikalrotor 12 aufgebracht. In dem in 4 dargestellten Vorwärtsflug ist der Profilkörper 16 aerodynamisch aktiv, indem er zur Erzeugung von Auftrieb auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2 vorgesehen ist. Wenn dann das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 neben dem Strömungswiderstand des Auslegers 9 mit dem Seitenleitwerk 14 aufgebracht wird, kann der Vertikalrotor 12 zur Erzeugung zusätzlichen Vorschubs auf den Hubschrauber 1 eingesetzt werden.
5 skizziert einen Hubschrauber 1, bei dem gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 nicht nur der Heckausleger 22 soweit verlängert ist, dass sein Höhenleitwerk 15 nicht mehr im Kernbereich der im Schwebeflug von dem Horizontalrotor 2 nach unten gerichteten Strömung angeordnet ist. Zusätzlich ist der Ausleger 9 hier ohne einen Vertikalrotor ausgebildet und dafür mit einem größeren Profilkörper 16 und entsprechend größeren aerodynamisch wirksamen Flächen 19 und 20 versehen. Darüber hinaus ist der Profilkörper 16 mit seiner Hinterkante 18 so weit nach unten vorne verschwenkbar, dass er im Schwebeflug gemäß 5 die von dem Horizontalrotor 2 nach unten gerichtete Strömung nach vorne umlenken kann, um das benötigte Gegenmoment für das Drehmoment des Horizontalrotors 2 zu erzeugen. Im Übergang zum Vorwärtsflug gemäß 6 wird der Profilkörper 16 mit seiner Hinterkante 18 nach hinten geschwenkt. Da dann die durch den Horizontalrotor erzeugte Strömung bereits schräg nach unten gerichtet ist, erzeugt er weiterhin ein Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2. Im Vorwärtsflug gemäß 7 dient der Ausleger 9 mit seinem Profilkörper 16 primär der Erzeugung von Auftrieb auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2, und das Seitenleitwerk 14 an dem Heckausleger 22 bringt das fehlende Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 auf. Dabei kann das Seitenleitwerk 14 verstellbare Seitenruder zur Abstimmung des Gegenmoments aufweisen. Zudem kann das Höhenleitwerk 15 verstellbare Höhenruder umfassen.
Bei dem in 8 skizzierten Hubschrauber handelt es sich um eine Abwandlung des Hubschraubers gemäß den 1 und 2 insoweit der Ausleger 9 hier schräg nach hinten ausgerichtet ist und der Hubschrauber 1 alle Merkmale des Hubschraubers 1 gemäß den 1 und 2 aufweist, außer dass kein Vertikalrotor an dem einzigen Ausleger 9 vorhanden ist. Das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 wird dabei nach demselben Prinzip wie bei dem Hubschrauber 1 gemäß den 5 bis 7 generiert. Anders gesagt kann der Ausleger 9 des Hubschraubers 1 gemäß 8 als Zusammenfassung des Auslegers 9 und des Heckauslegers 22 des Hubschraubers gemäß den 5 bis 7 angesehen werden. Dargestellt ist der Hubschrauber 1 in 8 im Schwebeflug, bei dem mit dem Profilkörper 16 das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors 2 durch Umlenkung der von dem Horizontalrotor 2 generierten abwärts gerichteten Luftströmung erzeugt wird. Auch eine Ausführungsform des Hubschraubers 1 gemäß 3 und 4 ohne Vertikalrotor 12 ist möglich, da das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Hubschraubers grundsätzlich auch allein mit dem Profilkörper 16 des Auslegers aufgebracht und abgestimmt werden kann. Dann ist jedoch keine gleichzeitige freie Abstimmung des Auftriebs des Auslegers 9 auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2 möglich.
Bezugszeichenliste

1: Hubschrauber
2: Horizontalrotor
3: Rotorblatt
4: Rotorachse
5: Rumpf
6: Rotorantrieb
7: Längsmittelebene
8: Pfeil
9: Ausleger
10: Winkel
11: Heckklappe
12: Vertikalrotor
13: Rotorachse
14: Seitenleitwerk
15: Höhenleitwerk
16: Profilkörper
17: Vorderkante
18: Hinterkante
19: Fläche
20: Fläche
21: Hauptachse
22: Heckausleger

Claims

Hubschrauber (1) mit einem Horizontalrotor (2), der um eine vertikale Rotorachse (4) drehangetrieben ist, und mit mindestens einem von der Rotorachse (4) weg abstehenden Ausleger (9), wobei der Ausleger (9) einen Profilkörper (16) mit zwischen einer Vorderkante (17) und einer Hinterkante (18) verlaufenden aerodynamisch wirksamen Flächen (19, 20) aufweist, um im Vorwärtsflug des Hubschraubers (1) Auftrieb zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausleger (9) asymmetrisch unter der im Vorwärtsflug des Hubschraubers (1) zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors (2) angeordnet ist, um im Vorwärtsflug des Hubschraubers (1) selektiv Auftrieb auf der zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors (2) zu erzeugen, und dass der Profilkörper (16) um eine parallel zur Hauptachse (21) des Auslegers verlaufende Schwenkachse verschwenkbar oder verformbar ist, um im Schwebeflug des Hubschraubers (1) seine dem Horizontalrotor (2) zugewandte Querschnittsfläche gegenüber dem Vorwärtsflug zu reduzieren.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausleger (9) quer zur Längsmittelebene (7) des Hubschraubers (1) absteht.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausleger (9) unter einem Winkel (10) von 30° bis 60° zur Längsmittelebene (7) des Hubschraubers (1) nach hinten absteht.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger (9) um eine vertikale Schwenkachse gegenüber dem Rest des Hubschraubers (1) verschwenkbar gelagert ist.
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (16) soweit um seine Schwenkachse verschwenkbar ist, dass seine Hinterkante (18) in einer vertikalen Projektion von Rotorblättern (3) des Horizontalrotors (2) eher überstrichen wird als seine Vorderkante (17).
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (16) aktiv verschwenkbar ist.
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (16) passiv gegen einen im Vorwärtsflug wirksamen Anschlag verschwenkbar ist.
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mindestens einen Ausleger (9) kein Vertikalrotor (12) vorgesehen ist.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausleger (9) an seinem freien Ende einen Vertikalrotor (12) mit tangential zur Umfangsrichtung um die vertikale Rotorachse (4) des Horizontalrotors (2) ausgerichteter horizontaler Rotorachse (13) aufweist.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertikalrotor (12) für eine Schubrichtungsumkehr längs seiner Rotorachse (13) ausgebildet ist.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vertikalrotor (12) ummantelt ist.
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem mindestens einen Ausleger (9) ein Heckausleger (22) mit einem Seitenleitwerk (14) in der Längsmittelebene (7) des Hubschraubers (1) vorgesehen ist.
Hubschrauber (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Heckausleger (22) ein passiver Heckausleger (22) ist.
Hubschrauber (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausleger (9) der einzige Ausleger des Hubschraubers (1) ist.
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ausleger (9) oder einem zusätzlichen Heckausleger (22) ein verstellbares Seitenruder vorgesehen ist.
Hubschrauber (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilkörper (16) in sich starr ist und zumindest über die wesentliche Erstreckung des mindestens einen Auslegers (9) längs seiner Hauptachse (21) alle aerodynamisch wirksamen Flächen (19, 20) des Auslegers (9) ausbildet.
Hubschrauber (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausleger (9) zwei in Doppeldeckeranordnung übereinander angeordnete verschwenkbare Profilkörper (16) aufweist.