DE102015107596B3

DE102015107596B3 - Hubschrauber mit Einrichtungen zum Vermeiden des Mast Bumping

Info

Publication number: DE102015107596B3
Application number: DE102015107596.2A
Authority: DE
Inventors: Alex Krenik
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2015-05-13
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-05-14

Abstract

Bei einem Hubschrauber mit einem zwei Rotorblätter (2) aufweisenden Hauptrotor (1), wobei die beiden Rotorblätter (2) über eine um eine horizontale Schlagachse (4) verschwenkbare Rotorkopfwippe (3) an einer um eine vertikale Achse (6) drehangetriebenen Antriebswelle (5) gelagert sind, und mit einer eine Taumelscheibe (11) umfassenden Steuereinrichtung (10) zum zyklischen Ändern von Einstellwinkeln der um die vertikale Achse (6) umlaufenden Rotorblätter (2) läuft ein oberer Anschlag (27) für die Taumelscheibe (11) mit der Antriebswelle (5) um die vertikale Achse (6) um, wobei der obere Anschlag (27) über eine längs der vertikalen Achse (6) wirksame Richtungsumkehrungseinrichtung (24 bis 26) an die Bewegung der Rotorkopfwippe (3) um die horizontale Schlagachse (4) gekoppelt ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubschrauber mit einem zwei Rotorblätter aufweisenden Hauptrotor, wobei die beiden Rotorblätter über eine um eine horizontale Schlagachse verschwenkbare Rotorkopfwippe an einer um eine vertikale Achse drehangetriebenen Antriebswelle gelagert sind, und mit einer eine Taumelscheibe umfassenden Steuereinrichtung zum zyklischen Ändern von Einstellwinkeln der um die vertikale Achse umlaufenden Rotorblätter.
Anders gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Hubschrauber mit einem halbstarren Zweiblattsystem.
STAND DER TECHNIK
Das halbstarre Zweiblattsystem hat sich insbesondere bei leichteren Hubschraubern als äußerst erfolgreich erwiesen. Beispielsweise verwendet die Bell 47, die bereits in den 1940er Jahren entwickelt wurde und die anschließend über Jahrzehnte gebaut wurde und bis heute geflogen wird, dieses Rotorsystem. Auch aktuelle Ultraleichthubschrauber machen hiervon Gebrauch.
Neben dem Nachteil einer relativ starken Auf- und Ab-Vibration im Vorwärtsflug hat das halbstarre Zweiblattsystem den Nachteil, dass es bei Pilotenfehlern zu einem "Mast Bumping" genannten Phänomen kommen kann, das u. U. katastrophale Folgen hat. Beim Mast Bumping kollidiert die Rotorkopfwippe mit der den Hauptrotor antreibenden und unter ihm hängenden Antriebswelle. Dies kann je Umlauf des Rotors um die vertikale Achse einmal pro Rotorblatt passieren, so dass die Antriebswelle zweimal pro Umdrehung des Horizontalrotors, d. h. je nach Rotordrehzahl mit einer Frequenz von etwa 12–16 Hz, angekerbt wird. Akustisch macht sich dieser Vorgang in Form eines lauten Knatterns bemerkbar. Im Extremfall separiert sich der Hauptrotor binnen weniger Sekunden komplett von der Antriebswelle. Bei geringeren Rotordrehzahlen kann es zudem nach Kollision der Rotorkopfwippe mit der Antriebswelle zu einer starken Abwärtsbiegung der Rotorblattspitze kommen, die im Extremfall den Heckausleger abschlägt oder mit der Nase des Rumpfs des Hubschraubers kollidiert.
Um die Auslenkungen der Rotorkopfwippe um die Schlagachse eines zentralen Schlaggelenks zu begrenzen, sind bei der Bell 47 statische und dynamische Anschläge an sogenannten Kaninchenohren (engl.: rabbit ears) vorgesehen. Die Kaninchenohren sind um parallel zu der Schlagachse verlaufende horizontale Schwenkachsen verschwenkbar am freien Ende der Antriebswelle gelagert und werden bei dem nicht rotierenden Hauptrotor durch Zugfedern aufgerichtet. In dieser Stellung definieren sie die statischen Anschläge für die Rotorkopfwippe, die die Schlagbewegung des halbstarren Rotorsystems blockieren. Bei um die vertikale Achse rotierendem Hauptrotor werden die Kaninchenohren durch Fliehkräfte von an ihren freien Enden angeordneten Massekörpern nach außen umgelegt. Sie definieren damit dynamische Anschläge, an denen die Rotorkopfwippe bei rotierendem Horizontalrotor anschlägt.
Anfangs war die Bell 47 mit zusätzlichen Begrenzungen für die Auslenkung der Rotorkopfwippe um die Schlagachse ausgerüstet, indem Kopplungsdrähte zwischen einer um 90° versetzt zu den Rotorblättern rotierenden Kreiselwippe und der Rotorkopfwippe gespannt waren. Wenn die Taumelscheibe der Bell 47 durch den Piloten so ausgelenkt wird, dass es zu einer resultierenden zyklischen Schlagbewegung der Rotorkopfwippe kommt, die an diese Begrenzungen für die Auslenkung der Rotorkopfwippe heranführt, erfährt der Pilot eine pulsierende Rückkopplungskraft über das von ihm betätigte Steuer.
Aus der DE 28 33 813 A1 ist eine Hubschrauber-Nabenfeder mit nichtlinearer Federkonstante zur Steuerung der Schlageigenschaften von an einem Hauptrotormast angelenkten Rotorblättern bekannt. Ein die Rotorblätter mit dem Rotor mechanisch koppelndes, auf der Schlagachse sitzendes elastomeres Lager mit kleiner Federkonstante dient dabei zur Erzeugung einer ersten Rückhaltekraft. Ein mit dem Rotor um die Schlagachse drehbarer Federblock mit höherer Federkonstante dient hingegen zur Erzeugung einer größeren Rückhaltekraft bei Schlagwinkeln, die einen vorgegebenen Winkel überschreiten. Das elastomere Lager mit kleiner Federkonstante kann zwei auf der Schlagachse sitzende konzentrische Zylinder aufweisen, von denen ein Zylinder auf der Schlagachse befestigt und der andere mit dem Rotorblatt zur Schlagbewegung drehbar ist und die zur Erzeugung der ersten Rückhaltekraft durch federnde Scherzylinder mechanisch miteinander verbunden sind. Weiterhin offenbart die DE 28 33 813 A1 eine Nabenfeder für einen Hubschrauberrotor, die um einen Hauptrotormast drehbar und an einen Nabenzapfen angeschlossen ist. Ein Blattjoch koppelt die Rotorblätter des Hubschraubers mit den Nabenzapfen. Ein Federelement zur Steuerung der Schlageigenschaften der Rotorblätter berührt den Mast nur beim Überschreiten eines vorgegebenen Schlagwinkels.
Aus der US 4 754 958 A ist zur Verhinderung des Mast Bumping bei einem Hubschrauber mit halbstarrem Zweiblattsystem bekannt, elastische Anschläge für die Auslenkung der Rotorkopfwippe um die Schlagachse vorzusehen. Die Federkonstante des elastischen Anschlags steigt progressiv an.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hubschrauber aufzuzeigen, bei dem ein Mast Bumping effizient verhindert wird.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Hubschrauber mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Hubschraubers.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung geht aus von einem Hubschrauber mit einem zwei Rotorblätter aufweisenden Hauptrotor, wobei die beiden Rotorblätter über eine um eine horizontale Schlagachse schwenkbare Rotorkopfwippe an einer um eine vertikale Achse drehangetriebenen Antriebswelle gelagert sind, und mit einer eine Taumelscheibe umfassenden Steuereinrichtung zum zyklischen Ändern von Einstellwinkeln der um die vertikale Achse umlaufenden Rotorblätter. Erfindungsgemäß läuft mit der Antriebswelle ein oberer Anschlag für die Taumelscheibe um die vertikale Achse um. Dieser obere Anschlag ist über eine längs der vertikalen Achse wirksame Richtungsumkehrungseinrichtung an die Bewegung der Rotorkopfwippe um deren horizontale Schlagachse gekoppelt. Das heißt, der obere Anschlag für die Taumelscheibe bewegt sich nach unten, wenn das darüber an der Rotorkopfwippe gelagerte Rotorblatt nach oben schlägt. Wenn der Anschlag in Kontakt mit der Taumelscheibe kommt, drückt der Anschlag die Taumelscheibe nach unten und damit in eine Richtung, die eine Verringerung der das Schlagen der Rotorblätter verursachenden zyklischen Änderung ihrer Einstellwinkel bewirkt. Dies ist grundsätzlich unabhängig davon, in welcher Azimutposition (Umlaufwinkel) sich die Rotorkopfwippe befindet. Dort wo die Rotorkopfwippe um ihre horizontale Schlagachse nach oben ausgelenkt wird, bewegt sich der obere Anschlag für die Taumelscheibe nach unten.
Bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber nimmt der obere Anschlag für die Taumelscheibe keine feste Lage längs der vertikalen Achse ein. Bei schlagenden Rotorblättern bewegt sich vielmehr ständig längs der vertikalen Achse und dabei gegenphasig zu der Rotorkopfwippe. Das heißt, wenn sich die Rotorkopfwippe auf einer Seite der von ihrer Schlagachse und der vertikalen Achse aufgespannten Ebene nach oben bewegt, bewegt sich der obere Anschlag für die Taumelscheibe auf dieser Seite nach unten und umgekehrt.
Der obere Anschlag für die Taumelscheibe kann grundsätzlich ringförmig um die Antriebswelle herum umlaufen. Der obere Anschlag für die Taumelscheibe wird aber immer nur auf der Seite der von der Schlagachse der Rotorkopfwippe und der vertikalen Achse aufgespannten Ebene wirksam, auf der die Rotorkopfwippe um ihre horizontale Schlagachse nach oben ausschlägt. Der erfindungsgemäße obere Anschlag für die Taumelscheibe kann daher zwei diskrete, an die beiden Arme der Rotorkopfwippe bzw. die daran gelagerten Rotorblätter gekoppelte Teilanschläge umfassen und praktisch nur aus diesen beiden Teilanschlägen bestehen.
Diese Teilanschläge können über Stützräder an der Taumelscheibe angreifen, wobei die Stützräder um tangential zu einem Kreisbogen um die vertikale Achse verlaufende Drehachsen drehbar an einem mit der Antriebswelle um die vertikale Achse umlaufenden äußeren Rand der Taumelscheibe gelagert sind. Die Stützräder erlauben den Teilanschlägen eine abrollende Bewegung in derselben Ebene, in der auch die Schlagbewegung der Rotorkopfwippe erfolgt. Die längs der vertikalen Achse zwischen der Rotorkopfwippe und dem oberen Anschlag für die Taumelscheibe wirksame Richtungsumkehrungseinrichtung kann eine in Richtung der vertikalen Achse an der Antriebswelle abgestützte Hebelanordnung aufweisen. Diese Hebelanordnung läuft insgesamt mit der Antriebswelle, der Rotorkopfwippe und dem oberen Anschlag für die Taumelscheibe um die vertikale Achse um.
Die Hebelanordnung kann insbesondere einen zweiarmigen Hebel umfassen, der mittig um eine weitere horizontale Schwenkachse verschwenkbar an der Antriebswelle gelagert ist, wobei ein nach oben zeigendes freies Ende seines einen Arms über einen Lenker an die Rotorkopfwippe angelenkt ist, während ein nach unten zeigendes freies Ende seines anderen Arms die Höhe des oberen Anschlags längs der vertikalen Achse vorgibt. Das untere Ende des zweiarmigen Hebels bewegt sich dann nach unten, wenn sich sein an die Rotorkopfwippe angelenktes oberes Ende nach oben bewegt. Entsprechend kann dieses untere Ende des zweiarmigen Hebels die Höhe des oberen Anschlags für die Taumelscheibe längs der vertikalen Achse vorgeben und dabei direkt einen seiner beiden Teilanschläge ausbilden.
Die Hebelanordnung der Richtungsumkehrungseinrichtung kann insgesamt achsensymmetrisch zu der vertikalen Achse ausgebildet sein, d. h. auf beiden Seiten der von der vertikalen Achse und der horizontalen Schwenkachse der Rotorkopfwippe aufgespannten Ebene jeweils einen zweiarmigen Hebel aufweisen, der um eine weitere horizontale Schwenkachse verschwenkbar an der Antriebswelle gelagert ist und dessen oberes Ende über einen Lenker an die Rotorkopfwippe angelenkt ist, wobei sein unteres Ende die Höhe des oberen Anschlags für die Taumelscheibe längs der vertikalen Achse vorgibt. Dabei können die beiden zweiarmigen Hebel um ihre horizontalen Schwenkachsen verschwenkbar an einer drehfest an der Antriebswelle gelagerten Doppelgabel gelagert sein. Diese Doppelgabel kann auch ortsfest an der Antriebswelle gelagert sein.
Vorzugsweise ist die Kopplung des oberen Anschlags für die Taumelscheibe an die Bewegung der Rotorkopfwippe über die Richtungsumkehrungseinrichtung von einer negativen Vertikalbeschleunigung der Antriebswelle derart abhängig, dass der obere Anschlag mit der negativen Vertikalbeschleunigung weiter nach unten gedrückt wird. Das heißt, der obere Anschlag für die Taumelscheibe wird sowohl durch ein nach oben Schlagen des über ihm befindlichen Rotorblatts als auch durch eine verminderte Vertikalbeschleunigung der Antriebswelle nach unten bewegt. Dabei resultiert eine verminderte Vertikalbeschleunigung der Antriebswelle aus einem plötzlichen Sinkflug des Hubschraubers, sodass das resultierende Lastvielfache unter den Wert von 1 G sinkt. Um diese Abhängigkeit der Lage des oberen Anschlags von der verminderten Vertikalbeschleunigung der Antriebswelle zu erreichen, kann eine Gewichtsscheibe längs der vertikalen Achse verfahrbar auf der Antriebswelle gelagert sein und über eine Spreizhebelanordnung auf die längs der Antriebswelle verschiebliche Doppelgabel einwirken. Das heißt, wenn die Antriebswelle nach unten beschleunigt wird und sich die Gewichtsscheibe entsprechend längs der vertikalen Achse relativ zu der Antriebswelle nach oben bewegt, wird die Doppelgabel über die Spreizhebelanordnung längs der Antriebswelle nach unten gedrückt, so dass der obere Anschlag für die Taumelscheibe bereits bei geringerer Auslenkung der Rotorkopfwippe um die Schlagachse wirksam wird.
Für den Piloten des Hubschraubers macht sich der obere Anschlag für die Taumelscheibe durch ein Rütteln am zyklischen Steuer bemerkbar, wobei das Rütteln zurückgeht, wenn das Steuer in eine die Schlagbewegung der Rotorblätter ausleitende Richtung geführt wird. So wird ein neuerlicher Kontakt der Taumelscheibe mit dem Anschlag sowohl aufgrund der geringeren Auslenkung des Steuers als auch der geringeren Schlagauslenkung der Rotorkopfwippe vermieden.
Wie üblich wirken auch bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber zwischen der Taumelscheibe und den Rotorblättern Steuerstangen. Diese Steuerstangen können an einen mit der Antriebswelle um die vertikale Achse umlaufenden Rand der Taumelscheibe und an Steuerhörner der Rotorblätter angelenkt sein. Der Rand der Taumelscheibe wird dabei über einen Mitnehmer von der Antriebswelle mitgenommen. Die Anlenkpunkte der Steuerstangen an den Rand der Taumelscheibe liegen in Umlaufrichtung um die vertikale Achse etwa 90° vor der Längsachse des jeweiligen Rotorblatts. Den maximalen Ausschlag um ihre horizontale Schlagachse erreicht die Rotorkopfwippe erst 90° nach dem Erreichen des maximalen Einstellwinkels, d. h. der maximalen Auslenkung der Taumelscheibe. Durch die phasenvorverschobenen Anlenkpunkte der Steuerstangen fällt die maximale Auslenkung der Rotorkopfwippe (aufgrund der zyklischen Ansteuerung) in dieselbe Vertikalebene, in der die maximale Auslenkung der Taumelscheibe liegt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibung 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.
Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs "mindestens" bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Lenker die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Lenker, zwei Lenker oder mehr Lenker vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die der jeweilige Hubschrauber aufweist.
Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptrotors und der auf die Rotorblätter des Hauptrotors einwirkenden Steuereinrichtung eines erfindungsgemäßen Hubschraubers.
2 ist ein Vertikalschnitt durch die in 1 gezeigten Teile des erfindungsgemäßen Hubschraubers.
3 ist eine perspektivische Ansicht des Hauptrotors und der auf die Rotorblätter des Hauptrotors einwirkenden Steuereinrichtung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hubschraubers in einer ersten Funktionsstellung der Steuereinrichtung; und
4 ist eine 3 entsprechende perspektivische Ansicht einer Funktionsstellung der Steuereinrichtung, die sich bei verminderter Vertikalbeschleunigung des Hubschraubers einstellt.
FIGURENBESCHREIBUNG
1 zeigt einen Hauptrotor 1 mit zwei Rotorblättern 2, die um ihre horizontalen Längsachsen 8 verschwenkbar, aber ansonsten im Wesentlichen starr an einer Rotorkopfwippe 3 gelagert sind. Die Rotorkopfwippe 3 ist ihrerseits um eine horizontale Schlagachse 4 verschwenkbar an einer Antriebswelle 5 gelagert. Die Antriebswelle 5 ist um eine vertikale Achse 6 drehangetrieben, die die horizontale Schlagachse 4 orthogonal schneidet. Es versteht sich, dass die horizontale Schlagachse 4 dabei genauso wenig exakt horizontal verlaufen muss, wie die vertikale Achse 6 vertikal. Zudem läuft der Hauptrotor 1 nicht immer in einer zu der vertikale Achse 6 orthogonalen Horizontalebene um, denn die Rotorblätter 2 können gegenläufige Schlagbewegungen um die mit ihnen umlaufende horizontale Schlagachse 4 ausführen, wie in 1 mit gestrichelten Linien 7 für die Rotorblätter 2 und alle damit zusammenhängenden Teile der der gezeigten Anordnung angedeutet ist. Die Einstellwinkel der Rotorblätter 2 um ihre grundsätzlich horizontalen Längsachsen 8 sind mit Hilfe einer Steuereinrichtung 10 zyklisch, d. h. periodisch über einen Umlauf um die vertikale Achse 6 hinweg veränderbar. Die Steuereinrichtung 10 umfasst eine Taumelscheibe 11. Ein innerer Teil 12 der Taumelscheibe 11 läuft nicht mit der Antriebswelle 5 um die vertikale Achse 6 um. Ein Rand 13 der Taumelscheibe 11 hingegen wird über einen Mitnehmer 14 von der Antriebswelle 5 mitgenommen, so dass er mit dem Hauptrotor 1 um die vertikale Achse 6 umläuft. Der Mitnehmer 14 ist konkret an einer drehfest mit der Antriebswelle 5 verbundenen Hohlwelle 15 abgestützt. An den äußeren Rand 13 der Taumelscheibe 11 und an Steuerhörner 16 der Rotorblätter 2 sind Steuerstangen 17 angelenkt, die die Neigungen der Taumelscheibe 11 gegenüber der vertikalen Achse 6 auf die Steuerhörner 16 übertragen, welche den Einstellwinkel der Rotorblätter 2 um deren Längsachsen 8 (zyklisch) vorgeben. Dabei laufen die Steuerstangen 17 den Längsachsen 8 der Rotorblätter 2 um die vertikale Achse 5 um 90° voraus. Dieser 90° Phasenversatz tritt in umgekehrter Richtung zwischen dem maximalen Ausschlag des Einstellwinkels der Rotorblätter 2 um deren Längsachsen 8 und der Wirkung dieses Einstellwinkels, d. h. dem gewünschten Effekts auf den Auftrieb der Rotorblätter 2 auf. Entsprechend wird die Taumelscheibe 11 wie in 1 gezeigt mit einem Längssteuer 18 nach vorne geneigt, um den Auftrieb im hinteren Bereich des Hubschraubers zu erhöhen und so eine Beschleunigung des Hubschraubers in Längsrichtung 19 auszulösen. Dabei führt diese Neigung der Taumelscheibe zu einer maximalen Änderung der Einstellwinkel der Rotorblätter 2, wenn diese quer zu der Längsrichtung 19 ausgerichtet sind. Diese maximale Änderung der Anstellwinkel wirkt sich dann 90° um die vertikale Achse 6 später in einem erhöhten Auftrieb im hinteren Bereich des Hubschraubers aus. Entsprechend verstellt ein Quersteuer 20 die Neigung der Taumelscheibe, um eine Bewegung des Hubschraubers in Querrichtung 21 auszulösen. Ein Kollektivsteuer 22 hebt und senkt die gesamte Taumelscheibe längs der vertikalen Achse 6, um den Einstellwinkel beider Rotorblätter 2 kollektiv zu erhöhen oder zu senken, um eine Beschleunigung in Höhenrichtung 23 längs der vertikalen Achse 6 auszulösen. An der Hohlwelle 15 ist weiterhin eine Doppelgabel 24 gelagert, hier sowohl drehfest an als auch ortsfest längs der vertikalen Achse 6. An der achsensymmetrisch zu der vertikalen Achse 6 ausgebildeten Doppelgabel 24 sind in ebenfalls achsensymmetrischer Anordnung zwei zweiarmige Hebel 25 etwa mittig gelagert. Die oberen Enden der zweiarmigen Hebel 25 sind auf jeweils derselben Seite einer von der vertikalen Achse 6 und der horizontalen Schlagachse 4 aufgespannten Ebene über einen Lenker 26 an die Rotorkopfwippe 3 gekoppelt. Wenn also ein Rotorblatt 2, wie das in 1 rechts dargestellte Rotorblatt, um die horizontale Schlagachse 4 nach oben schlägt, bewegt sich aufgrund der Kopplung über den Lenker 26 auch das obere Ende des zweiarmigen Hebels 25 auf derselben Seite dieser Ebene nach oben und entsprechend das untere Ende des zweiarmigen Hebels 25 nach unten. Dieses untere Ende jedes der beiden zweiarmigen Hebel 25 bildet einen Teilanschlag 27 eines oberen Anschlags für die Taumelscheibe 11 aus. Dabei schlägt der äußere Rand 13 der Taumelscheibe 11 über ein Kontaktrad 28 an dem Teilanschlag 27 an. Wenn also ein Rotorblatt 2 stark nach oben schlägt, drückt es über die Hebelanordnung aus dem Lenker 26 und dem zweiarmigen Hebel 25 sowie der Doppelgabel 24 den Teilanschlag 27 und damit die Taumelscheibe in dem jeweiligen Umlaufwinkel unter dem hochschlagenden Rotorblatt 2 nach unten. Wenn der Pilot das entsprechende Steuer 18, 20, 22 der Steuereinrichtung 10 nicht gewaltsam dem Teilanschlag 27 entgegendrückt, führt die verringerte Auslenkung der Taumelscheine 11 dazu, dass das folgende Rotorblatt 2 mit seiner Steuerstange 17 weniger stark um seine Längsachse 8 ausgelenkt wird, so dass der erhöhte Auftrieb des Rotorblatts 2, der zu dem Schlagen des vorlaufenden Rotorblatts geführt hat, nicht mehr in demselben Maße auftritt. Wenn der Pilot gegen den Teilanschlag 27 hält, so erhält er von diesem eine deutliche Rückkopplung über das jeweilige Steuer 18, 20, dass die Rotorkopfwippe 3 stark gegenüber der vertikalen Achse 6 ausgelenkt wird, so dass die Annäherung an einen Flugzustand mit der Gefahr eines Mast Bumping, d. h. dem Anschlagen der Rotorkopfwippe 3 an die Antriebswelle 5, konkret an die Hohlwelle 15, droht. 1 zeigt bereits ein Anschlagen des hinteren Kontaktrads 28 an den zugehörigen Teilanschlag 27. Jedes weitere Schlagen des Rotorblatts 2 nach oben drückt die Taumelscheibe 11 nach unten, so dass einer weiteren Auslenkung der Rotorkopfwippe 3 entgegengewirkt wird. Der Schnitt gemäß 2 längs der vertikale Achse 6 und orthogonal zu der horizontalen Schwenkachse 4 zeigt mit den gestrichelten Linien 7 für die Auswirkungen der schlagenden Rotorblätter 2, dass dies so früh passiert, dass noch kein Kontakt zwischen den Rotorkopfwippe 3 und der Antriebswelle 5, insbesondere der Hohlwelle 15, auftritt.
Die Ausführungsform der Steuereinrichtung 10 gemäß den 3 und 4 unterscheidet sich von der Steuereinrichtung 10 gemäß den 1 und 2 durch eine zwar drehfeste, aber längs der vertikale Achse 6 bewegliche Lagerung der Doppelgabel 24 auf der Hohlwelle 15. Die Doppelgabel 24 ist hier über eine Spreizhebelanordnung 29 mit einer drehfest und ortsfest an der Hohlwelle 15 gelagerten Basis 30 und eine Gewichtscheibe 31 läng der vertikalen Achse 6 höhenverfahrbar. Konkret senkt sich die Doppelgabel 24 in Richtung der vertikalen Achse 6 ab, wenn sich die Gewichtscheibe 31 von ihrem Anschlag an der Basis 30 weg die Hohlwelle 15 entlang in Richtung der vertikalen Achse 6 nach oben bewegt. Dabei bewegt sich ein Schlitten 32 der Spreizhebelanordnung 29 auf einer Führung 33 nach innen zu der Hohlwelle 15. Auf diese Weise wird die Auswirkung der Teilanschläge 27 auf die Taumelscheibe 11 verstärkt, wenn die Antriebswelle 5 nach unten beschleunigt wird, so dass die Gewichtscheibe 31 aufgrund ihrer Trägheit von der Basis 30 abhebt. Dies wird in 4 deutlich, in der die Doppelgabel 24 gegenüber 3 bei ansonsten gleicher Konstellation des Horizontalrotors 1 abgesenkt ist. Damit wird der Provokation eines Mast Bumping durch ein sogenanntes pull-up-push-down Manöver verhindert: Bei einem Konturenflug des Geländes, z. B. bei Überfliegen eines Hindernisses, wird vom Piloten durch die Ziehen des Steuerknüppels, d. h. das Betätigen des Kollektivsteuers, zügig Höhe gewonnen, aber auf Kosten der Geschwindigkeit. Nach dem Überfliegen des höchsten Punkts wird abrupt der Steuerknüppel gedrückt, so dass subjektiv ein Gefühl der Schwerelosigkeit empfunden wird. Durch dieses Manöver neigt sich die Blattspitzenebene, beschrieben durch periodische Schlagbewegung der Rotorblätter 2, stark nach vorne, und die gesamte Hubschrauberzelle gerät aus dem Kräfte- und Momentengleichgewicht. Da die vertikale Komponente des Rotorschubs durch die Neigung der Blattspitzenebene nach vorne reduziert wurde, beginnt der Heckrotor, der primär zum Drehmomentenausgleich um die vertikale Achse 6 vorgesehen ist und wegen seines Hebelarms einen großen Einfluss auf die vertikale Achse hat, ein wirksames Rollmoment um den Gesamtschwerpunkt in der Querebene zu entwickeln. Der Heckrotor entfesselt damit ein Rollmoment nach rechts, wenn der Hauptrotor von oben gesehen gegen den Uhrzeigersinn dreht. Dieses Moment bewirkt ein Rollen nach rechts, was der Pilot instinktiv nach links parieren möchte, indem er den Steuerknüppel nach links bewegt, was jedoch wenig Effekt zeigt, da auch eine seitliche Komponente des Rotorschubs zu klein ist, wenn die vertikale Komponente klein ist. So wird der Steuerknüppel noch weiter nach links bewegt, während sich die Zelle und damit auch die Antriebswelle weiter nach rechts bewegt. Die Folge ist Mast Bumping. Bei der Steuereinrichtung 10 gemäß den 3 und 4 wird die Gewichtscheibe 31 in einer solchen Situation durch ihre Massenträgheit nach oben ausgelenkt. Dadurch wird die Wirksamkeit der zweiarmigen Hebel 25 erhöht. Damit wird verhindert, dass der Steuerknüppel zu weit nach links bewegt wird. Der Einfluss der Gewichtscheibe 31 sinkt, wenn der Pilot das Kollektivsteuer betätigt, um den Rotorschub insgesamt zu erhöhen, bzw. das zyklische Steuer in dieser Situation zusätzlich tendenziell nach rechts führt, wodurch die Gefahrensituation beseitigt wird.
Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung 10 immer so bezüglich der Ankopplung der Teilanschläge 27 an die Rotorkopfwippe 3 auszulegen ist, dass keine Überkompensation erfolgt, also die Taumelscheibe 11 nicht in der jeweils entgegengesetzten Richtung aktiv ausgelenkt wird. Vielmehr soll der Gefahr des Mast Bumpings durch passiven Eingriff in die Steuereinrichtung 10 begegnet werden, den der Pilot im Regelfall gar nicht bemerkt.
Bezugszeichenliste

1: Hauptrotor
2: Rotorblatt
3: Rotorkopfwippe
4: horizontale Schlagachse
5: Antriebswelle
6: vertikale Achse
7: gestrichelte Linie
8: Längsachse
9: Lagerschild
10: Steuereinrichtung
11: Taumelscheibe
12: innerer Teil
13: Rand
14: Mitnehmer
15: Hohlwelle
16: Steuerhorn
17: Steuerstange
18: Längssteuer
19: Längsrichtung
20: Quersteuer
21: Querrichtung
22: Kollektivsteuer
23: Höhenrichtung
24: Doppelgabel
25: zweiarmiger Hebel
26: Lenker
27: Teilanschlag
28: Stützrad
29: Spreizhebelanordnung
30: Basis
31: Gewichtscheibe
32: Schlitten
33: Führung

Claims

Hubschrauber mit – einem zwei Rotorblätter (2) aufweisenden Hauptrotor (1), – wobei die Rotorblätter (2) über eine um eine horizontale Schlagachse (4) verschwenkbare Rotorkopfwippe (3) an einer um eine vertikale Achse (6) drehangetriebenen Antriebswelle (5) gelagert sind, und – einer eine Taumelscheibe (11) umfassenden Steuereinrichtung (10) zum zyklischen Ändern von Einstellwinkeln der um die vertikale Achse (6) umlaufenden Rotorblätter (2), dadurch gekennzeichnet, – dass mit der Antriebswelle (5) ein oberer Anschlag für die Taumelscheibe (11) um die vertikale Achse (6) umläuft, – wobei der obere Anschlag über eine längs der vertikalen Achse (6) wirksame Richtungsumkehrungseinrichtung an die Bewegung der Rotorkopfwippe (3) um die horizontale Schlagachse (4) gekoppelt ist.
Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Anschlag für die Taumelscheibe (11) zwei diskrete Teilanschläge (27) auf beiden Seiten einer von der horizontalen Schwenkachse (4) und der vertikalen Achse (6) aufgespannten Ebene aufweist.
Hubschrauber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilanschläge (27) über Stützräder (28) an der Taumelscheibe (11) angreifen, wobei die Stützräder (28) um tangential zu einem Kreisbogen um die vertikale Achse (6) verlaufende Drehachsen drehbar an einem mit der Antriebswelle (5) um die vertikale Achse (6) umlaufenden äußeren Rand (13) der Taumelscheibe (11) gelagert sind.
Hubschrauber nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsumkehrungseinrichtung eine in Richtung der vertikalen Achse (6) an der Antriebswelle (5) abgestützte Hebelanordnung aufweist.
Hubschrauber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelanordnung einen zweiarmigen Hebel (25) aufweist, der mittig um eine weitere horizontale Schwenkachse verschwenkbar an der Antriebswelle (5) abgestützt ist, wobei ein nach oben zeigendes freies Ende seines einen Arms über einen Lenker (26) an die Rotorkopfwippe (3) angelenkt ist und wobei ein nach unten zeigendes freies Ende seines anderen Arms die Höhe des oberen Anschlags längs der vertikalen Achse (6) vorgibt.
Hubschrauber nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelanordnung achsensymmetrisch zu der vertikalen Achse (6) ausgebildet ist.
Hubschrauber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelanordnung zwei zweiarmige Hebel (25) aufweist, die an einer drehfest auf der Antriebswelle (5) gelagerten Doppelgabel (24) gelagert sind.
Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des oberen Anschlags an die Bewegung der Rotorkopfwippe (3) von einer negativen Vertikalbeschleunigung der Antriebswelle (5) längs der vertikalen Achse (6) derart abhängig ist, dass der obere Anschlag mit der negativen Vertikalbeschleunigung relativ zu der Antriebswelle (5) nach unten gedrückt wird.
Hubschrauber nach Anspruch 7 und Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gewichtscheibe (31) längs der vertikalen Achse (6) verfahrbar auf der Antriebswelle (5) gelagert ist und über eine Spreizhebelanordnung (29) auf die längs der Antriebswelle (5) verschiebliche Doppelgabel (24) einwirkt.
Hubschrauber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Steuerhörner (16) der Rotorblätter (2) über Steuerstangen (17), die Längsachsen (8) der Rotorblätter (2) um 90° vorlaufen, an einen mit der Antriebswelle (5) um die vertikale Achse (6) umlaufenden äußeren Rand (13) der Taumelscheibe (11) angekoppelt sind.