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Die
Erfindung betrifft die Flugtechnik, und zwar die Hubschrauberkonstruktion.
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Der
Zeit haben die Hubschrauber mit mehr als einem Propeller auf einer
geometrischen Achse die in Absolutwerten gleichen Rotationsgeschwindigkeiten
des unteren und des oberen Propellers. Beim Betrieb solcher Propeller
gelingt der durch oberen Propeller hervorgerufene wellenartige zyklische
Luftstrom in den Arbeitsbereich des unteren Propellers und wird
zusätzlich
geringfügig
beschleunigt, und die gleiche Periodizität der Luftwellen, die von den
Propellern erzeugt werden, führt
zu erhöhter
Vibration der Rotore. Der Mechanismus zur Steuerung des Flügeldrehens
gewährleistet
dabei kein unabhängiges Ändern des
Anstellwinkels der Flügel
des oberen und unteren Propellers. Die Hubkraft des Hubschraubers
ist geschwächt
und die Nettoleistung des Triebwerks wird nicht effizient genutzt.
Die schwere Konstruktion der Hubschrauber verringert ihre Fluggeschwindigkeit
und verschlechtert ihre Manövrierfähigkeit.
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Es
ist ein Hubschrauber (SU 1819809 A1 nach IPK B 64 C 27/04) bekannt.
Er besitzt zwei Propeller, die untereinander auf einer geometrischen Achse
platziert sind, eine Einrichtung zur Sitz- bzw. Kabinenverstellung
und eine Einrichtung zur Änderung
des Winkels des Kabinenchassis. Ein Teil des durch die Propeller
erzeugten Luftstroms strömt
auf die Hubschrauberbauteile, die sich mehr unten befinden. Die
Manövrierfähigkeit
des Hubschraubers ist beim Aushängen
der Kabine (des Pilotensitzes) nach dem Prinzip eines Pendels eingeschränkt, das
innerhalb des Winkels nur auf einer Ebene pendelt.
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Der
durch den oberen Propeller erzeugte Luftstrom gelingt in den Arbeitsbereich
des unteren Propellers, der mit der selben Geschwindigkeit wie der
obere Propeller rotiert. Der untere Propeller, der im vom oberen
Propeller erzeugten Luftstrom arbeitet, ist aufgrund gleicher Absolutwerte
der Drehgeschwindigkeiten der beiden Propeller nicht imstande, den
Luftstrom spürbar
zu beschleunigen und damit eine effektive Hubkraft zu erzeugen.
Die Nettoleistung des Triebwerks wird dabei nicht effizient genutzt. Die
Vibration des Hubschraubers ist erhöht.
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Das
Ziel dieser Erfindung ist effektive Nutzung von Hubschraubertriebwerken
und Reduzierung des Konstruktionsgewichtes, Gewährleistung hoher Manövrierfähigkeit,
Steigerung der Fluggeschwindigkeit und -Höhe, Erhöhung der Flugsicherheit, Beseitigung
der Vibration.
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Das
angegebene Ziel wird dadurch erreicht, dass sich zwei Propeller
in der vorzuschlagenden Hubschrauberkonstruktion untereinander auf
einer geometrischen Achse befinden. Die aktiven (den Luftstrom bildenden)
Flügelteile
des oberen Propellers werden dabei durch Ansätze um 3–7 % erweitert. Das heißt: die
Flächen
der aktiven Flügelteile
des oberen Propellers sind um die Flächengröße der Ansätze größer als die der aktiven Flügelteile
des unteren Propellers. Die optimalen Verhältnisse der Breite zur Länge der
aktiven Flügelteile
des unteren und oberen Propellers betragen von 1 : 2 bis 1: 6.
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Der
Unterschied in der Flächengröße der aktiven
Flügelteile
des oberen und unteren Propellers sorgt für einen Unterschied in aerodynamischen Drehwiderständen des
oberen und unteren Propellers: der aerodynamische Drehwiderstand
der Flügel des
oberen Propellers ist größer als
der aerodynamische Drehwiderstand der Flügel des unteren Propellers.
Beim gleichen Leistungsverbrauch durch den oberen und unteren Propeller
rotiert der untere Propeller deshalb 1,2 – 1,7 mal schneller als der
obere. Auf die Weise wird effektive Beschleunigung des Luftstroms
durch den unteren Propeller gewährleistet,
der in ihrem gemeinsamen Arbeitsbereich durch den oberen Propeller
erzeugt wird.
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Infolgedessen
werden sowohl durch den oberen als auch durch den unteren Propeller
effektive Luftströme
erzeugt, die höhere
Fluggeschwindigkeit, schnelleres Manövrieren und größere Lasthebekraft
im Vergleich mit herkömmlichen
Hubschraubern gewährleisten.
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Die
Ansätze
of den Flügeln
des oberen Propellers verhindert das Entstehen von starren zyklischen
Luftgebilden, die Vibration erzeugen. Die erhöhte Manövrierfähigkeit des Hubschraubers ist
außerdem
durch eine unabhängige
Steuerung des Anstellwinkels der Flügel des oberen und unteren
Propellers gewährleistet;
es wird durch einen unabhängigen
Antrieb des Mechanismus zur Steuerung des Anstellwinkels der Flügel des
oberen Propellers bewerkstelligt, der durch einen Stock in Bewegung
gesetzt wird. Der Stock geht durch einen Durchgangs-Längs-Achsenkanal
im Wallen des oberen Propellers durch. Auf die Weise verfügt der Hubschrauber über zusätzliche
Manövriermöglichkeiten, darunter
schnelle Kehrungen und Flug mit einem Propeller.
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Beim
gleichen Leistungsverbrauch durch den oberen und unteren Propeller
sind die Drehmomente an den Wellen des oberen und unteren Propellers
in Absolutwerten gleich. Durch Erhöhung oder Reduzierung des Leistungsverbrauchtes
durch den oberen oder unteren Propeller wird eine Differenz zwischen
den Drehmomenten an den Wellen des oberen und unteren Propellers
in Absolutwerten gewährleistet,
d. h. der Hubschrauber kehrt nach links oder rechts. Die Manöver werden
außerdem
durch unabhängige Änderungen
des Anstellwinkels der Propellerflügel bewerkstelligt. Der obere
und untere Propeller werden zur gegengesetzten Rotation unabhängig voneinander
durch entsprechende Triebwerke gebracht. Jeder der Triebwerke, der
mit entsprechendem Propeller kinematisch verbunden ist, ist imstande,
beim ausgeschalteten zweiten Triebwerk den Hubschrauber in der Luft
zu halten und seine sichere Landung zu gewährleisten. Die Hubschrauberkabine hat
die Form einer Kapsel und ist an einem Fahrgestell aufgehängt, das
die Bewegung der Kabine sowohl in die Längs- als auch Querrichtung,
auf den oberen Triebwerkteil des Hubschraubers bezogen, ermöglicht;
die Konstruktion ermöglicht
während
des Flugs eine erhöhte
Neigung des Hubschraubers nach vorne und hinten sowie eine Neigung
nach links und rechts, d. h. sie ermöglicht seine Bewegung mit hoher
Geschwindigkeit mit gleichzeitigem Seitenmanövrieren und Manövrieren
in alle Richtungen, und das Bogenprofil der Führungsschienen des Kabinenfahrgestells
sichert die horizontale Lage der Kabine beim Neigen der Drehflächen der
Propeller z. B. nach vorne und hinten. Die Hubschrauberkabine befindet sich
nicht im von den Propellern erzeugten Luftstrombereich und hat keinen
Luftstromwiderstand während des
Flugs. Die von einander unabhängigen
Propellerantriebe und die damit verbundene Möglichkeit, den Hubschrauberrumpf
(Manövrieren)
durch das Ändern
der Absolutwerte der Drehmomente an den Propellerwellen drehen zu
lassen, haben die Abdingbarkeit und das Fehlen des Stabilisators
bedingt. Es reduziert das Konstruktionsgewicht des Hubschraubers
und lässt
Triebwerke mit erhöhter
Leistung einsetzten.
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Der
Hubschrauber hat zwei Propeller 3 und 4, die auf
einer geometrischen Achse 11 untereinander liegen (1, 2, 3, 4). Die Propeller 3 und 4 werden
in gegeneinander gerichtete Rotationen 5 und 6 unabhängig von
einander durch die Triebwerke 1 und 2 gebracht,
die mit den Wellen 3' und 4' (1, 2, 3) kinematisch
verbunden sind. Die aktiven (den Luftstrom bildenden) Flügelteile
(schraffiert) des oberen Propellers 3 sind um die Größe der Ansätze 3'', d. h. um 3–7 %, breiter als die aktiven
(den Luftstrom bildenden) Flügelteile
(schraffiert) des unteren Propellers 4 (3). Das heißt: die Flächen der aktiven Flügelteile
des oberen Propellers 3 sind um die Flächengröße der Ansätze 3'' größer als
die der aktiven Flügelteile
des unteren Propellers 4.
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Der
obere Propeller 3 hat einen vom unteren Propeller 4 unabhängigen Mechanismus
zur Steuerung der Flügelanstellwinkel
(3, 5). Der Mechanismus zur Steuerung der
Flügelanstellwinkel
besteht aus dem Stock 15, der durch den Längs-Achsenkanal 16 im
Wallen 3' des
oberen Propellers 3 durchgeht und durch das Bauteil 19 mit
dem Stock 15 gelenkig verbunden ist. Der Stock bewegt sich
in die Richtung 17 und 18 und bringt dabei das
Bauteil 19 in Bewegung, das die Flügel 3 um die Achse 20 herumdreht.
Die unabhängigen
Antriebe der Steuerung der Anstellwinkel der Flügel des oberen 3 und
unteren 4 Propellers erhöhen die Manövrierfähigkeit des Hubschraubers und
erlauben Steuerung der Drehmomente an den Propellerwellen auch bei
Hubschraubern mit zwei gleichachsigen Propellern und einem Triebwerk
und ohne Heckstabilisator (z. B. in unbemannten Hubschraubern).
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Die
Kabine 7 des Hubschraubers (1, 2, 3, 4)
ist mittels der Fahrgestelle 12 und 12' (2) an den Führungsbauteilen 8 aufgehängt und
kann sich an den Bauteilen 8 und 12'' vor-,
rückwärts, rechts und
links bewegen, z. B. mit Hilfe von Hydraulikantrieben, aus der Stellung 7' in die Stellung 7'' und die Stellungen 7''' und 7'''' ( 2, 4). Die Führungsbauteile 8 sind
gleichzeitig das tragende Konstruktionsteil der Triebwerksektion
des Hubschraubers. Die Arbeitsflächen
von Rollen der Fahrgestelle, an denen die Kabine aufgehängt wird,
bestehen aus federnden elastischen Materialien (Gummi und anderen
Polymeren, die Vibration abfedern). In den Ausgangsstellungen „vor dem
Abflug" und „Hängen in
der Luft" (1) hat die Achsenlinie 10 des
Schwerpunktes der Kabine 7 den Abstand e – d zur
Achsenlinie 11 der Propeller 3 und 4.
Die Linie 14, die durch den Schwerpunkt der Triebwerksektion
läuft,
hat den Abstand g – e
zur Linie 11. Das Fahrgestell 12' (2) befindet
sich in einer Stellung, in der die Achsenlinie 10 des Schwerpunktes
der Kabine 1 auf die Linien 11 und 14 projiziert
wird. In der Stellung befindet sich der Hubschrauber im Gleichgewicht
zu der Achsenlinie 11; die Drehflächen der Propeller sind horizontal.
Die Kabine 7 (4)
am Fahrgestell 12 kann sich mit dem Abstand e – d und
e – d' zur Achsenlinie 11 der Propeller 3 und 4 bewegen.
Die Versetzungen der Kabine 7 an den Führungsschienen 8 (1, 3, 4) und
die Fahrwege a – c
und a – b
der Kabine 7 (2)
sorgen für
den Flug in der ausgewählten Flugrichtung
und das Manövrieren
des Hubschraubers.
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Der
Hubschrauber hebt auf folgende Weise ab. Es werden gestartet: das
Triebwerk 2, das den Propeller 4 in Richtung 6 dreht,
und das Triebwerk 1, das den Propeller 3 in Richtung 5 (3) dreht. Die weitere Erhöhung der
Motorumdrehungen erfolgt bei in Absolutwerten gleichen Drehmomenten
an den Achswellen 3' und 4' (um das Drehen
der Kabine zu vermeiden) (1).
Beim Abheben des Hubschraubers von dem Landeplatz ändern sich
die Absolutwerte der Drehmomente an den Achswellen 3' und 4'. Es ermöglicht ein
Wendemanöver
des Hubschraubers um die Achse 11 herum in der ausgewählten Flugrichtung.
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Das
Fliegen in der ausgewählten
Flugrichtung und Manövrieren
des Hubschraubers in der Luft werden auf folgende Weise bewerkstelligt.
Die Hubschrauberkabine 7 bewegt sich aus der Gleichgewichtsstellung 7' (1, 3) in Richtung hin zur Linie 14 des
Schwerpunkts der Triebwerksektion (1, 3, 4), d. h. aus der Stellung 7'' in die Stellung 7'' (3, 4). Der Hubschrauber neigt
sich dabei mit dem Winkel in Flugrichtung (4). Gleichzeitig mit der Versetzung der
Kabine, bei den gleich bleibenden Absolutwerten der Drehmomente
an den Achsen 3' und 4', erhöhen sich
die Rotationsgeschwindigkeiten der Propeller 3 und 4.
Der Hubschrauber bewegt sich mit Beschleunigung fort. Die Hubschrauberkabine 7 (2) versetzt sich mit dem
Fahrweg a – c
oder a – b
nach rechts oder links: es wird ein Manöver nach rechts oder links
ausgeführt.
Durch die Änderung
der Triebwerkumdrehungen sowie durch die Änderung der Angriffswinkel
der Propellerflügel
von + bis – (3, 1-1)
(auch bei konstanten Triebwerkumdrehungen) werden senkrechtes Manövrieren
und Kehren des Hubschraubers ausgeführt.
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Die
Leistungen der Triebwerke 1 und 2 sind gleich.
Bei den gleichen Umdrehungen der Triebwerke 1 und 2 und
gleichen Leistungsentnahmen aus den Triebwerken 1 und 2 gleicht
der Absolutwert des Drehmoments an der Achswelle 3' des Propellers 3 dem
Absolutwert des Drehmoments an der Achswelle 4' des Propellers 4.
Die Rotationsgeschwindigkeit des Propellers 4 in Richtung 6 ist
dabei größer als
die Rotationsgeschwindigkeit des Propellers 3 in Richtung 5 (3). Der Hubschrauberrumpf
dreht sich dabei nicht um die Achse 11 herum. Das geschieht
im Flug ohne Wenden nach rechts oder links. Um den Hubschrauber
z. B. nach rechts zu lenken, muß man das
Verhältnis
der Drehmomente an den Achswellen 3'und 4' ändern (die Momente sind in
Absolutwerten nicht gleich). Dabei wird z. B. das Drehen des Propellers 4 in
Richtung 6 beschleunigt und das Drehen des Propellers 3 in
Richtung 5 verlangsamt (3).
So dank der Steuerung der Drehmomente an den Achswellen 3'und 4' der Propeller 3 und 4 erfolgt
das Wenden des Hubschraubers, und das Ändern der Drehmomente an den
Achswellen 3' und 4' der Propeller 3 und 4 wird
durch das Ändern
der Umdrehungen der Triebwerke 1 und 2, durch
unabhängiges Ändern der Anstellwinkel
des oberen und unteren Propellers, durch das Ändern der Leistungsentnahme
aus den Triebwerken 1 und 2 gesteuert. Der Auf-
und Abstieg wird durch das Ändern
der Umdrehungen der Triebwerke (Propeller) (3, 4)
sowie das Ändern
der Angriffswinkel der Propellerflügel von + bis – (3, 1-1)
erreicht.
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Die
vorgeschlagene Konstruktion gewährleistet
hohe Fluggeschwindigkeiten volle Manövrierfähigkeit des Hubschraubers in
jede Richtung aus der Anfangsposition heraus, beseitigt die Vibration,
reduziert das Gewicht des Hubschraubers, den Treibstoffverbrauch
und seine Herstellungskosten. Die Flugsicherheit ist gesichert,
weil der Hubschrauber in einer Notsituation mit einem funktionierenden
Triebwerk weiter fliegen und notlanden kann. Der Mechanismus für unabhängiges Ändern der
Anstellwinkel der Flügel
des oberen Propellers ist auch für
alle bekannten Hubschrauberkonstruktionen anwendbar.
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Grafische
Darstellung
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1 Hubschrauber in der Gleichgewichtsstellung
(„vor
dem Aufflug" und
beim „Hängen"), Seitenansicht.
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2 Hubschrauber, Ansicht von
hinten.
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3 Hubschrauber, Ansicht von
oben.
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4 Hubschrauber beim Fliegen
vorwärts, Seitenansicht.
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5 Schema des Mechanismus
zum Drehen der Flügel
des oberen Propellers