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Hubschraube mit verstellbarer Steigung der Flügelblätter Der Erfindung
liegt die Tatsache zugrunde, daß ein Flugzeugflügel bei einem Anstellwinkel von
-8 bis +14° in strömender Luft mehr oder weniger Auftrieb liefert. Des weiteren
ist bekannt, daß ein rotierendes Flügelblattpaar, dessen Form und Profil aus Gründen
erhöhten Auftriebs dem Flugzeugflügel angeglichen ist, beim Aussetzen der Antriebskraft
aus beispielsweise anfänglicher Linksdrehung über Stillstand zur Rechtsdrehung übergeht,
wenn der für den Steilflug maßgebliche Anstellwinkel beibehalten wird, was eine
Beschleunigung der Sturzgeschwindigkeit zur Folge hat. Dagegen behält das rotierende
Flügelblattpaar die einmal von der Antriebskraft hervorgerufene Drehung bei, wenn
es gelingt, diesem nach Aussetzen der Antriebskraft den für die geringste Sturzgeschwindigkeit
maßgeblichen Anstellwinkel aufzuzwingen. Alsdann könnte die Sturzgeschwindigkeit
beispielsweise eines Hubschraubers bedeutend herabgesetzt werden, wenn die Hubschraube
erstens durch eine in der Rotationsnabe selbst oder unterhalb derselben eingebaute
Freilaufklemmsperre angetrieben würde, zweitens in Form und Profil sich mehr dem
Flugzeugflügel nähert und drittens die Umschaltung der Flügelblätter aus der Steilflugstellung
in die den höchsten Auftrieb noch liefernde Sturzflugstellung durch irgendwelche
Kräfte im Augenblick des Aussetzens der Antriebskraft bewirkt werden könnte.
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Die Flugtechnik kennt eine Reihe von Hubschrauben, bei denen der Anstellwinkel
der Flügelblätter willkürlich oder automatisch durch Fliehkräfte, Luftkräfte oder
Federkräfte verstellt wird. Bei der nachfolgenden Konstruktion aber kann auf Federkräfte
fast ganz verzichtet werden., wodurch früheres Steigen und längere Flugdauer erzielt
werden. Schließlich weist sie auch der Entwicklung eines neuartigen Fallschirmtyps
neue Wege.
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Wie das Problem einer a) sturzbremsenden Hubschraube durch automatische
Veränderung der Flügelblattstellung vom Steil- bis Sturzflug bei Aussetzen der Antriebskraft
und b) Hubschraube mit beliebig verstellbaren Flügelblättern gelöst werden kann,
zeigt der in der Folge näher beschriebene Erfindungsgegenstand am Beispiel einer
Spielzeugausführung, und zwar zeigt Abb. 1 die Draufsicht einer automatisch funktionierenden
Hubschraube ohne nähere Einzelheiten, Abb.2 die Draufsicht der Hubschraube in ihren
Hauptbestandteilen, Abb. 3 die Seitenansicht der Nabe mit ihrer Schnittandeutung,
Abb. 4 die Nabe der automatisch funktionierenden Hubschraube mit eingehängter Feder
im Schnitt A-B, Abb. 5 die Draufsicht der Nabe mit außen herumgelegten Federn, Abb.
6 die Nabe der Hubschraube mit beliebig verstellbaren Flügelblättern durch Seilzug,
Abb.7 die Nabe der Hubschraube mit beliebiger Veränderung der Flügelblatteinstellung
mittels Zahnstangen im Schnitt A-B, Abb. 8 dasselbe wie in Abb. 7 im Schnitt C-D.
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Die in den Abbildungen gewählten Formen erheben keinen Anspruch auf
größten Nutzeffekt.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde die Hubschraube nur zweiflügelig
dargestellt und beschrieben. Das in Abb. 2 dargestellte Flügelblatt 1 nähert sich
in Form und Profil aus Gründen erhöhten Auftriebs und daraus resultierender erhöhter
Bremswirkung mehr dem Flugzeugflügel. Es geht in einen zylinderförmigen Schaft über,
der in 3 (Abb.2) eine senkrechte Bohrung aufweist, die der Aufnahme des Querbolzens
4 dient (Abb. 1, 6, 8). Gleichzeitig ist der Flügelblattschaft mit einer waagerechten
Bohrung 5 versehen (Abb. 2), die der Aufnahme eines elastischen Gliedes 6 (Abb.
4), z. B. einer Schraubenfeder oder eines Gummizuges., dient, das mittels Haken
in. die Bohrung 7 des Querbolzens 4 eingehängt wird (Abb. 4, 6). Das elastische
Glied leistet bei der Rückführung der Flügelblätter in ihre Sturzflug- (Ausgangs-)
Stellung zusätzliche Hilfe. Die Nabe 2 (Abb.1 bis 8) gleicht in ihrer Form einem
rohrförmigen Stutzen., der über den zylinderförmigen Schaft des Flügelblattes geschoben
wird und durch einen oder mehrere Querbolzen 4 mit Muttern eine bewegliche Verbindung
zum Flügelblatt 1 herstellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die zeichnerische
Andeutung mehrerer Bohrungen 3 und Querbolzen 4 verzichtet. Ihre Notwendigkeit wäre
bedingt durch den Grad der Beanspruchung. Ober- und Unterseite der Nabe sind je
nach Bedarf mit schraubenförmigen Schlitzen 8 (Abb. 2) versehen, die der Führung
und Schrägstellung des Querbolzens 4 dienen, dadurch die Änderung der Flügelblattstellun.g
herbeiführend. Die
Unterseite der Nabe 2 weist außerdem eine schlitzähnliche
Vertiefung 9 (Abb. 4, 6, 8) auf, die z. B. der Aufnahme einer Starterspindel dienen
kann, mittels der die Hubschraube in Drehung versetzt wird.
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In Abb.5 sind zwei Federn außen herumgelegt. Durch diese Federführung
wird eine zusätzliche Hebelwirkung erzielt, indem der Federzug am oberen Ende des
Bolzens 4 angreift. Das bedeutet obendrein eine wesentliche Vereinfachung der Konstruktion,
weil sich dadurch die waagerechte Bohrung 5 erübrigt. Eine Auswechselung des elastischen
Gliedes 6 bzw. 10 bietet alsdann überhaupt keine Schwierigkeit mehr.
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Abb.6 zeigt eine Form der Spielzeugausführung für willkürliche Veränderung
der Flügelblatteinstellung im Schnitt C-D. Die Bolzen 4 werden durch ein unelastisches
Glied 14 begrenzter Länge verbunden, das durch die Bohrung 13 des Bolzens 12 geführt
wird, der in der Bohrung 11 sitzt und mit einer Kontermutter arretiert werden kann.
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Abb. 7 und 8 zeigen eine andere mögliche Form der Spielzeugausführung
für willkürliche Veränderung der Flügelblatteinstellung im Schnitt A-B und C-D.
In der Bohrung 11 (Abb. 5) sitzt der Bolzen 15, der am unteren Ende einen Zahnkranz.
aufweist. Er kämmt mit den Zahnstangen 16 und ist mit dem Bolzen 4 beweglich verbunden.
Das in der Bohrung 18 (Abb. 8) sitzende Führungsstück 17 verleiht den Zugstangen
Halt.
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Zu a) Der die automatische Veränderung der Flügelblatteinstellung
herbeiführende Vorgang spielt sich bei einem Spielzeug wie folgt ab Mit einer Starterspindel,
deren oberes Ende in die schlitzähnliche Vertiefung (Abb. 4) geschoben. ist, wird
die Hubschraube in Drehung versetzt. Die dadurch zur Wirkung kommende Zentrifugalkraft
dehnt das elastische Glied 6 bzw. 10, so daß der Bolzen 4 in den schraubenförmigen
Schlitzen 8 entlang gleitet, wodurch der Bolzen 4 schräg gestellt wird, was eine
Änderung der Flügelblatteinstellung vom Sturz- über Gleit- zum Steilflug zur Folge
hat. Die Schlitzlänge begrenzt Sturz- und Steilflugstellung. Solange die Antriebskraft
fortwirkt, schwebt, steigt oder sinkt die Hubschraube entsprechend der auf sie einwirkenden
Kraft. Ein Aussetzen der Antriebskraft aber läßt die besonders an der Stirnseite
des Flügelblattes in senkrechter Richtung angreifende Last voll zur Wirkung kommen.
Der hintere Teil des Flügelblattes kann wegen des Luftwiderstandes nicht in eben
demselben Maße folgen. Das Flügelblatt schaltet sich also automatisch auf Sturzflug
um, wobei der Feder- bzw. Gummizug nur zusätzliche Hilfe leistet. Die Bolzen 4 gleiten
also in den Schlitzen 8 zurück, wodurch die Flügelblätter die für den langsamsten
Sturz gewollte maßgebliche Einstellung erhalten. An dieser Stelle liegt der Einwand
sehr nahe, daß zur Umschaltung doch noch starke Federkräfte notwendig sein müssen,
die die Wirtschaftlichkeit der Hubschraube stärksten. beeinträchtigen könnten. Das
Experiment beweist aber das Gegenteil. Bei einem Holzmodell von 18 cm Spannweite
erwies sich ein gewöhnlicher Gummiring von 2 cm Durchmesser, wie sie zum Verschnüren
kleiner Päckchen verwandt werden, als. völlig ausreichend, der, wie es Abb. 5 zeigt,
außen herumgelegt war. Sicherlich macht sich hierbei die bereits erwähnte Hebelwirkung
bemerkbar. Die nunmehr von der Steil- zur Sturzflugstellung automatisch umgeschalteten
Flügelblätter drehen sich jetzt schnell und immer schneller werdend in derselben
Richtung weiter, obwohl die den Steilflug bewirkende Antriebskraft ausgefallen ist.
An ihre Stelle ist die vorwiegend an der Stirnseite des Flügelblattes angreifende
Last getreten, die in Verbindung mit aerodynamischen Kräften die Rotation der Hubschraube
bewirken. Daß die Achse nicht unbedingt an der Stirnseite verlaufen muß, bedarf
wohl kaum der Erwähnung. In jedem Falle aber muß sie so gelagert sein, daß die hinter
ihr, also am längeren Hebel an-,greifende Luftkraft zur Wirkung kommt; denn diese
im Verein mit dem Gewicht des Flugkörpers bewirken in der Hauptsache die Umschaltung
des Flügelblattes vom Steil- zum Sturzflug. Und da das Flügelblatt wegen seines
Profils auch in Sturzflugstellung noch Auftrieb liefert, muß es sturzbremsend wirken.
Mit der Drehzahl der Hubschraube wächst selbstverständlich auch der Auftrieb. Da
die Hubschraube obendrein noch von der Antriebskraft her eine beachtliche Drehzahl
aufweist, also sozusagen schon auf vollen Touren läuft, liefert sie ohne Unterbrechung
Auftrieb. Selbst wenn eine belastete Hubschraube ohne jede Drehung in die Tiefe
fallen gelassen wird, dreht sie sich auch schon nach kürzestem Fall. Mit zunehmender
Drehzahl gewinnt natürlich die Zentrifugalkraft wieder an Einfluß auf die Flügelblattstellung,
was sich aber nur vorteilhaft auf die sturzbremsende Wirkung der Hubschraube auswirken
kann, weil sich ja diese der für den Steilflug maßgeblichen Stellung nähert, wenn
nicht gar erreicht. Hier fehlt es allerdings noch an Messungen. Zum Vergleich sei
jedoch das Ergebnis eines Versuchs mit allerdings starrer Sturzflugstellung, also
mit geringster Auftriebsleistung angeführt. Ein einfaches Papiermodell von 18cm
Spannweite und im Gewicht von nur 3 g wurde, mit einem 70 g schweren Schraubenbolzen
belastet, aus 32 m Höhe ohne jede Anfangsdrehung in die Tiefe fallen gelassen. Nach
5 Sekunden erst berührte es den Boden. Das entspricht einer vergleichbaren Höhe
von 122,5m im freien Fall. Zu b) Die bereits beschriebene Erstausführung mit automatischer
Veränderung der Flügelblatteinstellung läßt sich mit wenigen Änderungen in eine
solche mit regelbarer verwandeln. Wenn z. B. das elastische Glied 10 (Abb. 5) durch
ein unelastisches ersetzt wird, erhält die Hubschraube jede gewünschte Sturz-, Gleit-
oder Steilflugstellung. In gleicher Weise kann das elastische Glied 6 (Abb. 4) durch
ein unelastisches Glied ersetzt werden, das durch die Bohrung 13 (Abb. 6) geführt
wird. Eine Drehung des Bolzens 12 nach rechts oder links hat eine Verkürzung zur
Folge. Auch hier ist die Flügelblatteinstellung vom Sturzbis Steilflug regelbar.
Die in Abb. 7 und 8 angedeutete Spielzeugausführung arbeitet nach dem gleichen Prinzip,
indem an die Stelle eines Seiles Zahnstangen treten. Durch Rechtsdrehung nähern
sich die Flügelblätter der Sturzflugstellung, durch Linksdrehung der Steilflugstellung.
Die Bolzen 12 bzw. 15 (Abb. 6, 8) bedürfen alsdann der Arretierung durch eine Kontermutter.
Das :>Zabnstangenmodell« stellt aber im Gegensatz zu dem immerhin noch beweglichen
»Seilmodell« ein starres System dar; denn letzteres durchläuft, in Funktion gesetzt,
alle vom Sturz- bis Steilflug möglichen Flügelblattstellungen, wogegen ersteres
nur jeweils eine von vielen gestattet.
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Die Frage nach den Vorzügen, die den Erfindungsgegenstand gegenüber
anderen oder ähnlichen auszeichnen,
dürfte schon zum großen Teil
durch die vorausgegangenen Ausführungen beantwortet sein. Auf einen scheinbar in
keiner Beziehung zur Hubschraube stehenden Umstand muß jedoch besonders hingewiesen
werden. Der mit dem Papiermodell angestellte und beschriebene Versuch beweist nämlich
auch den Fallschirmcharakter der Hubschraube. Ein mit einer solchen Hubschraube
ausgestatteter Hubschrauber kann also nicht mehr im herkömmlichen Sinne abstürzen.
Die Fallgeschwindigkeit läßt sich aber noch weiter mindern, indem beispielsweise
unterhalb der Kanzel eine Sturzbremse angebracht wird, die aus einer oder mehreren
mehrflügeligen Hubschrauben beschriebener Art bestehen, deren Flügelblätter aber
aus Gründen erhöhten Auftriebs in Form und Profil noch mehr dem Flugzeugflügel angeglichen
sind und in Scheibenform hinter- oder übereinander angeordnet werden. Und nicht
zuletzt sei auf die -Möglichkeit der Weiterentwicklung der Sturzbremse zu einem
motorisierten Fallschirm-Hubschrauber hingewiesen.
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Im Gegensatz zu Hubschrauben herkömmlicher Art können die erfindungsgemäßen
belastet oder unbelastet abgeworfen werden. Sie sind außerdem ein ausgezeichnetes
Anschauungsmittel in flugtechnischer Hinsicht.