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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubschrauber mit einem Rumpf, einem Horizontalrotor, der gegenüber dem Rumpf um eine vertikale Rotorachse drehangetrieben ist und mit einem quer zu der Längsmittelebene des Hubschraubers von dem Rumpf weg abstehenden seitlichen Ausleger sowie mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1. Neben dem seitlichen Ausleger kann der Hubschrauber einen in der Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufenden Heckausleger aufweisen.
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Bei dem Hubschrauber kann es sich um ein bemanntes oder ein unbemanntes Luftfahrzeug handeln.
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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. Dabei werden auch alle nicht nur quer zu der Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufende Rotorachsen etwaiger Vertikalrotoren gegenüber der Horizontalen verkippt.
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STAND DER TECHNIK
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur Erreichung höherer Fluggeschwindigkeiten stehen bei dem bekannten Hubschrauber Lockheed AH-56 Stummelflügel unterhalb des Horizontalrotors vom Rumpf ab und ist neben dem üblichen Heckrotor ein zusätzlicher Druckpropeller am Heckausleger vorgesehen.
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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.
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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.
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Aus der
JP H10-181 694 A ist ein Hubschrauber bekannt, der einen Horizontalrotor, einen Heckausleger mit einem Höhenleitwerk, einem Seitenleitwerk und einem Heckrotor sowie einen zusätzlichen Ausleger auf der im Vorwärtsflug des Hubschraubers zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors aufweist, um dort selektiv Auftrieb zu erzeugen. Der seitliche Ausleger ist um eine vertikale Schwenkachse von unterhalb des Rumpfs des Hubschraubers vorschwenkbar, bis er quer zur Längsmittelebene des Hubschraubers verläuft. Zusätzlich ist der Anstellwinkel des Auslegers variabel, indem der Ausleger um seine von der Rotorachse des Horizontalrotors weg verlaufende Hauptachse verschwenkbar ist. Diese zweite Verschwenkbarkeit ist zur Variation des Auftriebs vorgesehen, der mit dem Ausleger erzeugt wird. Sie könnte grundsätzlich auch genutzt werden, um die dem Horizontalrotor zugewandte Querschnittsfläche des Auslegers im Schwebeflug des Hubschrauber gegenüber dem Vorwärtsflug zu reduzieren. Tatsächlich wird der Ausleger im Schwebeflug des bekannten Hubschraubers jedoch unter dessen Rumpf verschwenkt.
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Aus der
JP H07-132 893 A ist ein Hubschrauber bekannt, der neben einem Horizontalrotor und einem Heckausleger mit einem Heckrotor weitere seitliche Ausleger auf der vorlaufenden und rücklaufenden Seite des Horizontalrotors in symmetrischer Anordnung zur Längsmittellinie des Hubschraubers aufweist. Die Ausleger sind selektiv um eine parallel zu ihrer Hauptachse verlaufende Schwenkachse verschwenkbar, um einen größeren Auftrieb auf der rücklaufenden als auf der vorlaufenden Seite des Horizontalrotors im Vorwärtsflug des Hubschraubers zu erzeugen. Darüber hinaus sind die Ausleger so verschwenkbar, dass ihre Vorderkanten nach oben und ihre Hinterkanten nach unten zeigen, um ihre dem Horizontalrotor zugewandte Querschnittsfläche im Schwebeflug des Hubschraubers zu minimieren. Eine solche Hubschrauberkonfiguration ist auch aus der
DE 1 756 222 C , der
JP H05-229 490 A und der
DE 2 236 415 A bekannt.
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Aus der
FR 1 467 573 A ist ein Hubschrauber mit einem Horizontalrotor und einem Heckausleger bekannt. An dem Heckausleger ist außer einem Heckrotor ein einseitiges Höhenleitwerk auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors angeordnet ist. Zusätzlich weist dieser bekannte Hubschrauber auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors einen teleskopisch ausfahrbaren Ausleger zur selektiven Erzeugung von Aufrieb auf dieser Seite seiner Längsmittelebene auf.
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Die
US 2 580 312 A offenbart einen Hubschrauber, der neben einem Horizontalrotor und einem Ausleger mit Seiten- und Höhenleitwerk nach unten abklappbare Tragflügel und einen nach hinten gerichteten Vertikalrotor aufweist.
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Die
DE 1 581 060 B offenbart einen Hubschrauber mit einem um eine vertikale Schwenkachse verschwenkbaren Heckrotor.
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Die
DE 1 144 116 A offenbart einen Hubschrauber mit einem Heckrotor mit veränderbarem Anstellwinkel.
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Die
DE 41 19 388 A1 offenbart einen Hubschrauber mit einem Seitenrotor. Der Seitenrotor ist ein Vertikalrotor, der auf der vorlaufenden Seite des Horizontalrotors des Hubschraubers über einen quer zu der Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufenden Ausleger am Heckausleger des Hubschraubers gelagert ist. Der Abstand des Auslegers von der vertikalen Rotorachse des Horizontalrotors ist dabei größer als der Radius des Horizontalrotors, so dass der Seitenrotor hinter dem Horizontalrotor liegt.
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Die
DE 1 118 017 A offenbart einen Hubschrauber mit einem Heckrotor, der ummantelt ist und dessen Luftströmung mit um vertikale Schwenkachsen verschwenkbaren Klappen umlenkbar ist.
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Die
US 2011/0036954 A1 offenbart einen Hubschrauber mit einem Horizontalrotor, darunter angeordneten Tragflügeln, deren Spannweite größer als der Durchmesser des Horizontalrotors ist, und mit einem nach hinten gerichteten Vertikalrotor an einem Heckausleger. Dieser Vertikalrotor ist ummantelt, und mit einer Klappe kann der von dem Vertikalrotor hervorgerufene, grundsätzlich nach hinten gerichtete Luftstrom seitlich ausgelenkt werden.
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Die
US 2011/0024551 A1 offenbart einen Hubschrauber mit einem Horizontalrotor, mit quer zu der Längsmittelebene des Hubschraubers abstehenden Tragflügeln, an denen Vertikalrotoren angeordnet sind, und mit einem stummelförmigen Heckausleger mit Höhen- und Seitenleitwerk. Die Vertikalrotoren liegen vollständig unter dem Horizontalrotor.
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Aus der
DE 10 2012 100 102 A1 ist ein Hubschrauber mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Der quer zu der Längsmittelebene des Hubschraubers abstehende seitliche Ausleger ist auf Höhe der Vertikalachse des Horizontalrotors am Rumpf des Hubschraubers gelagert. An dem freien Ende des Auslegers ist ein Vertikalrotor mit tangential zur Umfangsrichtung um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors und parallel zu der Längsmittelebene ausgerichteter horizontaler Rotorachse vorgesehen, um mit diesem das Gegenmoment zu dem Drehmoment des Horizontalrotors zu erzeugen. Im Vorwärtsflug kann der Vertikalrotor zur Vortriebserzeugung genutzt werden. Dazu ist der Vertikalrotor für eine Schubrichtungsumkehr längs seiner Rotorachse ausgebildet. Der an dem freien Ende des Auslegers angeordnete Vertikalrotor befindet sich so unterhalb des Horizontalrotors, dass er im Schwebeflug vollständig im Abwind des Horizontalrotors liegt. An einem in der Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufenden Heckausleger, der Heckausleger ein Höhen- und ein Seitenleitwerk umfasst, welche beide unterhalb des Horizontalrotors liegen, kann ein weiterer Vertikalrotor als Schubpropeller vorgesehen sein..
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Die
DE 10 2012 100 102 A1 offenbart auch einen Hubschrauber mit einem einzigen, asymmetrischen Ausleger. Dieser Ausleger steht auf der im Vorwärtsflug rücklaufenden Seite des Horizontalrotors unter 45° zu der Längsmittelebene des Hubschraubers nach hinten ab. Wie ein Heckausleger umfasst dieser asymmetrische Ausleger ein Höhenleitwerk und ein Seitenleitwerk sowie einen Vertikalrotor, dessen vertikale Rotorachse unter einem horizontalen Winkel zwischen tangential zu einem Kreisbogen um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors und parallel zu der Längsmittelebene des Hubschraubers verläuft, um ihn sowohl zum Drehmomentausgleich um die vertikale Rotorachse als auch zum Generieren von Vortrieb nutzen zu können. Dieser Vertikalrotor liegt im Vorwärtsflug des Hubschraubers hinter dem Horizontalrotor.
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Aus der
US 2010/0127114 A1 ist ein Hubschrauber mit einem Rumpf, mit einem Horizontalrotor, der gegenüber dem Rumpf um eine vertikale Rotorachse drehangetrieben ist, mit einem Heckausleger und mit einem weiteren um eine vertikale Schwenkachse verschwenkbaren Ausleger bekannt. Die Schwenkachse des weiteren Auslegers kann mit der vertikalen Rotorachse zusammenfallen. An dem freien Ende des weiteren Auslegers ist ein Vertikalrotor angeordnet, der um eine horizontale Rotorachse drehangetrieben ist, wobei die horizontale Rotorachse tangential zu einem Kreisbogen um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors ausgerichtet ist. Die Länge des weiteren Auslegers ist beispielsweise so groß, dass der Vertikalrotor, wenn der weitere Ausleger in der Längsmittelebene des Hubschraubers nach hinten verläuft, hinter dem Heckausleger, außerhalb eines von dem Horizontalrotor überstrichenen Bereichs liegt.
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Die Horizontalrotoren von Hubschraubern können bezüglich der Lagerung ihrer Rotorblätter unterschiedlich ausgeführt sein. So können die Rotorblätter beispielsweise über Schlaggelenke an der Rotornabe gelagert sein, die eine Schlagbewegung der Rotorblätter aus der horizontalen Ebene, in der sie um die vertikale Rotorachse umlaufen, überlagert mit ihrer Drehbewegung um die Rotorachse ermöglichen. Bei verschiedenen modernen Hubschraubern sind diese Schlaggelenke nicht vorhanden, und die Horizontalrotoren sind entsprechend bezüglich einer Schlagbewegung ihrer Rotorblätter vergleichsweise starr ausgebildet. Bei solchen starren Horizontalrotoren liegt der Bereich des Auftriebsverlusts des Horizontalrotors im Vorwärtsflug auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors weiter vorne um die vertikale Rotorachse als bei Horizontalrotoren mit Schlaggelenken.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Hubschrauberkonfiguration aufzuzeigen, die Vorteile im schnellen Vorwärtsflug und im Schwebeflug aufweist und die insbesondere für einen Hubschrauber mit einem bezüglich einer Schlagbewegung seiner Rotorblätter starr ausgebildeten Horizontalrotor geeignet ist.
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LÖSUNG
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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.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein erfindungsgemäßer Hubschrauber weist einen Rumpf, einen Horizontalrotor, der gegenüber dem Rumpf um eine vertikale Rotorachse drehangetrieben ist, und einen quer zu der Längsmittelebene des Hubschraubers von dem Rumpf weg abstehenden seitlichen Ausleger auf, wobei der Ausleger asymmetrisch auf der Seite der Längsmittelebene des Hubschraubers angeordnet ist, auf der der Horizontalrotor im Vorwärtsflug des Hubschraubers zurück läuft. Der Ausleger ist zumindest insoweit asymmetrisch, als dass er im Vorwärtsflug des Hubschraubers gezielt Auftrieb auf dieser Seite der Längsmittelebene, die hier auch als zurücklaufende Seite des Horizontalrotors bezeichnet wird, erzeugt, also selbst dann, wenn auch auf der gegenüber liegenden Seite der Längsmittelebene, d. h. der im Vorwärtsflug des Hubschraubers vorlaufenden Seite des Horizontalrotors ein zusätzlicher Ausleger angeordnet ist. Damit wird der im Vorwärtsflug grundsätzlich geringere Auftrieb des Horizontalrotors auf der zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors zumindest teilweise ausgeglichen. Weiterhin ist am freien Ende des seitlichen Auslegers ein Vertikalrotor angeordnet, der um eine horizontale Rotorachse drehangetrieben ist, wobei die horizontale Rotorachse in einem horizontalen Winkelbereich von tangential zu einem Kreisbogen um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors bis parallel zu der Längsmittelebene des Hubschraubers ausgerichtet ist. Dieser Vertikalrotor dient zum aktiven Drehmomentausgleich um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors, insbesondere im Schwebeflug des Hubschraubers, in dem kein Drehmomentausgleich mit einem angeströmten Seitenleitwerk an dem Heckausleger möglich ist. Erfindungsgemäß ist ein Abstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers so groß, dass sich der Vertikalrotor nicht im Abwind des Horizontalrotors befindet. Dies wird oftmals schon erreicht, wenn der Abstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers um nicht mehr als einen Radius des Vertikalrotors kleiner ist als ein Radius des Horizontalrotors, weil der Durchmesser des Abwinds unter dem Horizontalrotor abnimmt. Ein größerer Mindestabstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers, der zum Beispiel um nicht mehr als 50 % des Radius des Vertikalrotors kleiner ist als ein Radius des Horizontalrotors, hat zur Folge, dass der Vertikalrotor in vertikaler Richtung betrachtet zumindest teilweise nicht von dem Horizontalrotor überdeckt wird. Dadurch dass sich der Vertikalrotor nicht im Abwind des Horizontalrotors befindet, ist der Vertikalrotor nicht nur im Schwebeflug des Hubschraubers zum Drehmomentausgleich besonders effizient, und eine zusätzliche Wirbelbildung durch Wechselwirkungen des Vertikalrotors mit dem Abwind des Horizontalrotors wird vermieden.
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Durch seine Lage an dem freien Ende des seitlichen Auslegers mit relativ großem Abstand zu der Längsmittelebene des Hubschraubers ist der Vertikalrotor für die Bereitstellung von größerer zusätzlicher Schubkraft auf den Hubschrauber nicht besonders gut geeignet. Um eine solche größere zusätzliche Schubkraft auf den Hubschrauber auszuüben, ist daher ein zusätzlicher Vertikalrotor vorgesehen, der um eine in oder in der Nähe der Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufende weitere horizontale Rotorachse drehangetrieben ist und unter dem Horizontalrotor angeordnet ist. Der weitere Vertikalrotor ist dabei vor der vertikalen Rotorachse des Horizontalrotors angeordnet, d. h. am vorderen Ende des Rumpfs des Hubschraubers. Dort mag er zwar im Schwebeflug des Hubschraubers im Abwind des Horizontalrotors liegen; im Schwebeflug des Hubschraubers wird der zusätzliche Vertikalrotor aber auch nicht benötigt, so dass er in Ruhe bleiben kann. Im Vorwärtsflug des Hubschraubers, in dem der Abwind des Horizontalrotors mit der Geschwindigkeit des Hubschraubers zunehmend nach hinten verläuft, gelangt der am vorderen Ende des Rumpfs des Hubschraubers angeordnete zusätzliche Vertikalrotor jedoch schnell aus dem Abwind des Horizontalrotors heraus und kann daher ohne unerwünschte Wechselwirkungen mit dem Abwind zur Erzeugung von Vortrieb betrieben werden.
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Sobald der Abstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers um weniger als einen Radius des Vertikalrotors kleiner ist als ein Radius des Horizontalrotors, wird die effektive Breite des Hubschraubers auf der im Vorwärtsflug des Hubschraubers zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors durch den Vertikalrotor am freien Ende des seitlichen Auslegers bestimmt.
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Der Abstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers kann mindestens so groß sein wie ein Radius des Horizontalrotors. Damit liegt der Vertikalrotor zumindest zur Hälfte nicht vertikal unter dem Horizontalrotor. Wenn der Abstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers um mindestens den Radius des Vertikalrotors größer ist als ein Radius des Horizontalrotors, liegt der Vertikalrotor vollständig neben dem Horizontalrotor, wenn die Rotoren in vertikaler Richtung betrachtet werden. Damit ist eine negative Wechselwirkung des Abwinds des Horizontalrotors mit dem den Drehmomentausgleich bewirkenden Vertikalrotor sicher verhindert.
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Vorzugsweise steht der seitliche Ausleger bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber radial von der Motorachse weg ab, oder er ist bis zur Hälfte des Abstand der horizontalen Rotorachse des Vertikalrotors von der Längsmittelebene des Hubschraubers gegenüber der vertikalen Rotorachse nach hinten versetzt. In jedem Fall steht er zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Längsmittelebene des Hubschraubers. Auch wenn der seitliche Ausleger nicht radial zu der vertikalen Rotorachse vom Rumpf des Hubschraubers absteht, kann die horizontale Rotorachse des Vertikalrotors parallel zur Längsmittelebene des Hubschraubers verlaufen.
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Vom Rumpf des erfindungsgemäßen Hubschraubers kann in der Längsmittelebene des Hubschraubers ein zusätzlicher Heckausleger abstehen. Grundsätzlich können ein Seiten- und/oder Höhenleitwerk des erfindungsgemäßen Hubschraubers aber auch direkt am hinteren Ende seines Rumpfs ausgebildet sein.
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Ein Abstand eines Höhenleitwerks an dem Heckausleger von der vertikalen Rotorachse des Horizontalrotors ist bei einem erfindungsgemäßen Hubschrauber vorzugsweise höchstens so groß wie ein Radius des Horizontalrotors. Das heißt, das Höhenleitwerk an dem Heckausleger des Hubschraubers befindet sich in vertikaler Richtung unter dem Horizontalrotor. Dabei können aerodynamische Flächen des Höhenleitwerks im Schwebeflug des Hubschraubers vertikal ausgerichtet werden, damit das Höhenleitwerk dem Abwind des Horizontalrotors eine reduzierte Angriffsfläche bietet.
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Auch ein Abstand eines Seitenleitwerks an dem Heckausleger von der vertikalen Rotorachse des Horizontalrotors ist vorzugsweise höchstens so groß wie ein Radius des Horizontalrotors, so dass auch das Seitenleitwerk des Heckauslegers in vertikaler Richtung betrachtet unter dem Horizontalrotor liegt. Dabei ist ein Abstand eines freien Endes des Heckauslegers von der vertikalen Rotorachse des Horizontalrotors in einer Ausführungsform gleich groß wie ein Radius des Horizontalrotors. Der erfindungsgemäße Hubschrauber ist in der Richtung seiner Längsmittelebene damit sehr kompakt, d. h. seine äußeren Abmessungen in der Horizontalen sind durch den Radius seines Horizontalrotors definiert. Dennoch entwickelt der Heckausleger eine ausreichende stabilisierende Funktion auf den Hubschrauber, insbesondere auch im Falle eines Ausfalls seines Triebwerks, d. h. bei Auftriebserzeugung durch Autorotation des Horizontalrotors.
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An dem Heckausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers ist typischerweise kein zusätzlicher Vertikalrotor angeordnet. Wenn hier ein zusätzlicher Vertikalrotor angeordnet ist, so verläuft dessen horizontale Rotorachse längs der Längsmittelebene des Hubschraubers, d. h. parallel oder unter einem kleinen Winkel zu dieser Längsmittelebene, und vorzugsweise in oder nahe dieser Längsmittelebene. Das heißt, es handelt sich um einen Schubrotor des erfindungsgemäßen Hubschraubers, mit dem eine zusätzliche Schubkraft auf den Hubschrauber ausgeübt werden kann.
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Der seitliche Ausleger des erfindungsgemäßen Hubschraubers kann einen Profilkörper mit zwischen einer Vorderkante und einer Hinterkante verlaufenden aerodynamisch wirksamen Flächen umfassen, wobei der Profilkörper um eine parallel zur Hauptachse des Auslegers verlaufende Schwenkachse verschwenkbar oder verformbar ist, um im Schwebeflug des Hubschraubers seine dem Horizontalrotor zugewandte Querschnittsfläche gegenüber dem Vorwärtsflug zu reduzieren. Dies ist insbesondere aufgrund der relativ großen Spannweite des seitlichen Auslegers und des damit auf die Lagerung des Auslegers an der Kabinenstruktur des Hubschraubers wirkenden Hebels sinnvoll. Zudem kann der Profilkörper im Schwebeflug des Hubschraubers auch derart überangestellt werden, dass er den Abwind des Horizontalrotors zur Erzeugung eines Gegenmoments zu dem von dem Horizontalrotor auf den Rumpf ausgeübten Drehmoments ablenkt. Dadurch wird der Vertikalrotor am freien Ende des seitlichen Auslegers beim Drehmomentausgleich entlastet.
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Der Vertikalrotor am freien Ende des seitlichen Auslegers kann für eine Schubrichtungsumkehr längs seiner horizontalen Rotorachse ausgebildet sein. Im Vorwärtsflug des erfindungsgemäßen Hubschraubers wird der Drehmomentausgleich zu dem Horizontalrotor typischerweise durch den Strömungswiderstand des seitlichen Auslegers und/oder ein Seitenleitwerk des Heckauslegers bewirkt. Der Vertikalrotor kann dann zum Aufbringen einer zusätzlichen Schubkraft auf den Hubschrauber genutzt werden. Dazu muss seine Schubrichtung gegenüber der Schubrichtung beim Drehmomentausgleich im Schwebeflug umgekehrt werden.
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Die horizontale Rotorachse des Vertikalrotors an dem freien Ende des Auslegers und jede weitere horizontale Rotorachse jedes weiteren Vertikalrotors muss nicht exakt horizontal verlaufen, was allein über die verschiedenen Flugzustände des erfindungsgemäßen Hubschraubers hinweg nicht ohne weiteres realisierbar wäre. Die horizontalen Rotorachsen müssen auch nicht jeweils exakt in einer Rotationsebene um die vertikale Rotorachse des Horizontalrotors verlaufen. Sie können vielmehr um wenige Grad, d. h. in der Regel um nicht mehr als 10° und oftmals um nicht mehr als 5°, gegenüber einer solchen Rotationsebene angestellt sein. Sie können auch über kleine Winkel von wenigen Grad gegenüber einer solchen Rotationsebene verschwenkbar sein, um in jedem Flugzustand ein optimales Verhältnis aus Vortrieb und Auftrieb einzustellen. Oftmals ist es dazu günstig, die jeweilige Rotationsachse, was ihren in Flugrichtung vorderen Teil anbelangt, gegenüber der Rotationsebene um die vertikale Rotorachse nach oben zu verschwenken.
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Der vertikale Rotor am freien Ende des seitlichen Auslegers ist im Betrieb des erfindungsgemäßen Hubschraubers mit einem gewissen Gefahrenpotential verbunden. Dieses Gefahrenpotential kann dadurch verringert werden, dass eine Kabine im Rumpf des Hubschraubers keine Tür auf der im Vorwärtsflug des Hubschraubers zurücklaufenden Seite des Horizontalrotors aufweist. Zudem kann der vertikale Rotor am freien Ende des seitlichen Auslegers ummantelt sein. Durch eine solche Ummantelung kann zusätzlich eine radiale Anströmung des Vertikalrotors durch den Abwind des Horizontalrotors im Schwebeflug verhindert werden. Es versteht sich jedoch, dass eine etwaige Ummantelung des Vertikalrotors so ausgeführt ist, dass sie mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand im Vorwärtsflug des Hubschraubers verbunden ist.
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Der Horizontalrotor des erfindungsgemäßen Hubschraubers kann bezüglich einer Schlagbewegung seiner Rotorblätter starr ausgebildet sein. Dadurch tritt eine relativ geringe Phasenverzögerung der am Hubschrauber auftretenden aerodynamischen Kräfte gegenüber dem Umlaufwinkel der Rotorblätter des Horizontalrotors um die vertikale Rotorachse von weniger als 60° auf. Somit kann der Auftriebsverlust im Vorwärtsflug des Hubschraubers unter der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors besonders gut durch den bei dem erfindungsgemäßen Hubschrauber relativ weit vorne und weit ausgreifenden seitlichen Ausleger kompensiert werden.
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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.
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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 Vertikalrotor die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Vertikalrotor, zwei Vertikalrotoren oder mehr Vertikalrotoren vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen genannten Merkmale können durch andere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Erzeugnis aufweist.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubschrauber in einer Seitenansicht, einer Ansicht von oben und einer Ansicht von vorne, wobei der Hubschrauber einen schräg nach hinten abstehenden Ausleger aufweist und im Schwebeflug dargestellt ist.
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2 zeigt den Hubschrauber gemäß 1 in 1 entsprechenden Ansichten im Vorwärtsflug; und
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3 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Hubschrauber in 1 und 2 entsprechenden Ansichten im Vorwärtsflug.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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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, laufen 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. Die Rotorblätter 3 sind im Übrigen in 1(a) und 2(c) in einer gegenüber 1(b) um 45° um die vertikale Rotorachse 4 verschwenkten Stellung dargestellt, so dass sowohl in 1(a) als auch in 1(c) die Blattspitzen der Rotorblätter 3 den Radius 8 des Horizontalrotors 2 markieren.
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Am hinteren Ende des Hubschraubers 1 steht ein Heckausleger 9 von dem Rumpf 5 ab. An dem Heckausleger 9 sind ein Höhenleitwerk 10 und ein Seitenleitwerk 11 vorgesehen. Der Heckausleger 9 verläuft in der Längsmittelebene 7 des Hubschraubers 1. Sein freies Ende 12 weist einen Abstand von der vertikalen Rotorachse 4 des Horizontalrotors 2 auf, der gleich dem Radius 8 des Horizontalrotors 2 ist. Weiterhin ist an dem Rumpf 5 des Hubschraubers 1 ein seitlicher Ausleger 13 gelagert, der sich quer zu der Längsmittelebene 7 und etwa radial zu der vertikalen Rotorachse 4 erstreckt. Am freien Ende 14 dieses seitlichen Auslegers 13 ist ein Vertikalrotor 15 um eine horizontale Rotorachse 16 drehangetrieben gelagert. Die horizontale Rotorachse 16 verläuft dabei parallel zu der Längsmittelebene 7 des Hubschraubers 1 und in einem so großen Abstand zu der Längsmittelebene 7, dass sich der gesamte Vertikalrotor 15, d. h. in jeder Stellung seiner Rotorblätter 17, bei Betrachtung längs der vertikalen Rotorachse 4 neben dem Horizontalrotor 2 befindet. Anders gesagt ist der Abstand der horizontalen Rotorachse 16 von der Längsmittelebene 7 hier größer als die Summe des Radius 8 des Horizontalrotors 2 und des Radius des Vertikalrotors 15. Mit dem Vertikalrotor 15 wird in dem in 1 skizzierten Schwebeflug des Hubschraubers 1 ein Drehmomentausgleich hinsichtlich des Drehmoments durchgeführt, das der Horizontalrotor 2 auf den Rumpf 5 ausübt. Hingegen sind horizontale Flächen 18 und 19 an einem um die Längsachse des Auslegers 13 verschwenkbaren Profilkörper 20 des Auslegers 13 im Schwebeflug des Hubschraubers 1 ebenso wie horizontale Flächen des Höhenleitwerks 10 im Wesentlichen vertikal ausgerichtet, um einem Abwind 25 des Horizontalrotors 2 eine möglichst kleine Angriffsfläche zu bieten. Der Vertikalrotor 15 befindet sich durch seinen großen Abstand zu der Längsmittelebene 7 außerhalb des Abwinds 25 des Horizontalrotors 2 im Schwebeflug und ist deshalb in seiner Funktion von diesem Abwind 25 unabhängig. Ein zusätzlicher Vertikalrotor 21 ist vorne am Rumpf 5 des Hubschraubers 1 angeordnet und ist um eine horizontale Rotorachse 22 drehangetrieben, die in der Längsmittelebene 7 des Hubschraubers 1 verläuft. Mit diesem zusätzlichen Vertikalrotor kann zusätzlich zu einer Neigung des Horizontalrotors 2 eine Schubkraft auf den Hubschrauber 1 ausgeübt werden. In dem in 1 dargestellten Schwebeflug des Hubschraubers ist der zusätzliche Vertikalrotor 21 jedoch inaktiv.
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In dem in 2 illustrierten Vorwärtsflug des Hubschraubers 1 sind die aerodynamischen Flächen 18 und 19 des Profilkörpers 20 des seitlichen Auslegers 13 so ausgerichtet, dass sie Auftrieb auf der rücklaufenden Seite des Horizontalrotors 2 erzeugen, um den Auftriebsverlust durch die dort geringere Anströmgeschwindigkeit der Rotorblätter 3 zu kompensieren. Auch die aerodynamischen Flächen des Höhenleitwerks 10 sind aus der vertikalen in eine aktive Höhenleitwerkstellung verschwenkt. Der Vertikalrotor 15 am freien Ende 14 des seitlichen Auslegers 13 kann mit gegenüber dem Schwebeflug gemäß 1 umgekehrter Schubrichtung betrieben werden, um Schubkraft auf den Hubschrauber 1 auszuüben, zumindest in der Größenordnung, die zum Ausgleichen des Strömungswiderstands des Auslegers 13 sinnvoll ist, welcher nicht zum Drehmomentausgleich um die vertikale Rotorachse 4 benötigt wird. Eine größere zusätzliche Schubkraft wird mit dem zusätzlichen Vertikalrotor 21 vorne am Rumpf 5 des Hubschraubers generiert. Auch wenn hier eine Kabine 23 im Rumpf 5 des Hubschraubers 1 mit Türen 24 auch auf der rücklaufenden Seite des Hubschraubers gezeigt ist, können diese Türen auf der rücklaufenden Seite des Hubschraubers weggelassen sein, um eine Kollision von Passagieren mit dem Vertikalrotor 15 zu verhindern. Der Vertikalrotor 15 kann alternativ oder zusätzlich und anders als hier dargestellt ummantelt sein, so dass seine Abmessungen und damit sein Gefahrenbereich offensichtlich ist.
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Der in 3 gezeigte Hubschrauber 1 unterscheidet sich von demjenigen, der in den 1 und 2 dargestellt ist, dadurch, dass kein expliziter Heckausleger 9 vorhanden ist. Vielmehr sind ein Höhenleitwerk 10 und ein Seitenleitwerk 11 am hinteren Ende des Rumpfs 5 des Hubschraubers ausgebildet. Des Weiteren ist der seitliche Ausleger 13 weniger lang, so dass der Vertikalrotor 15 zumindest teilweise unter dem Horizontalrotor 2 liegt, aber dabei noch außerhalb des Abwinds 25, selbst im Schwebeflug des Hubschraubers 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Hubschrauber
- 2
- Horizontalrotor
- 3
- Rotorblatt
- 4
- vertikale Rotorachse
- 5
- Rumpf
- 6
- Triebwerk
- 7
- Längsmittelebene
- 8
- Radius des Horizontalrotors
- 9
- Heckausleger
- 10
- Höhenleitwerk
- 11
- Seitenleitwerk
- 12
- freies Ende des Heckauslegers 9
- 13
- seitlicher Ausleger
- 14
- freies Ende des seitlichen Auslegers 13
- 15
- Vertikalrotor
- 16
- horizontale Rotorachse des Vertikalrotors 15
- 17
- Rotorblatt
- 18
- aerodynamische Fläche
- 19
- aerodynamische Fläche
- 20
- Profilkörper
- 21
- zusätzlicher Vertikalrotor
- 22
- horizontale Rotorachse des Vertikalrotors 21
- 23
- Kabine
- 24
- Tür
- 25
- Abwind
