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Drehflügelflugzeug niit schwenkbaren Rotorblättern Die Erfindung betrifft
ein Drehflügelflugzeug mit einem oder mehreren Rotoren, deren Rotorblätter über
Schwenkgelenke mit einem Schwenkgelenkabstand von der Rotormitte größer als 0,1
Rotorradius am Rotorkopf angeschlossen sind.
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Bei den bekannten Drehflügelflugzeugen sind die maximal erreichbaren
Fortschrittsgrade durch Machzahleffekte am vorlaufenden und Abreißerscheinungen
am zurücklaufenden Blatt begrenzt. Diese Erscheinungen entstehen dadurch, daß der
konstanten tangentialen Anströmgeschwindigkeit der Blätter aus der Drehung noch
eine sinusförmige schwankende Anströmgeschwindigkeit aus der Fluggeschwindigkeit
überlagert wird.
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Auf die sich aus derFluggeschwindigkeit ergebende Anströmgeschwindigkeit
kann kein Einfluß genommen werden, wohl aber auf die Blattanströmung, die aus der
Umlaufbewegung des Rotors resultiert. Wenn der Umlaufbewegung der einzelnen Blätter
eine bestimmte sinusförmige Schwankung aufgezwungen wird, so können jedoch die Anströmgeschwindigkeitsunterschiede
zwischen den vorlaufenden und den zurücklaufenden Blättern verringert werden, so
daß die eingangs genannten Erscheinungen an den Blättern erst bei höheren Fortschrittsgraden
auftreten.
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Zu diesem Zweck ist bereits bei - Drehflügelrotoren vorgeschlagen
worden, die sinusförmige Schwankung der Drehgeschwindigkeit der einzelnen Rotorblätter
durch eine mechanische Zwangssteuerung der Schwenkbewegung der Blätter zu erzielen.
Die hierzu erforderlichen Steuermittel und -einrichtungen sind jedoch mit einem
verhältnismäßig großen technischen Aufwand verbunden.
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BeiDrehflügelflugzeugen mitfrei schlagenden Rotorblättern verläuft
die durch normal auftretende Luft-und Massenkräfte resultierende freie Schwenkbewegung
der Rotorblätter in einer ungünstigen Phasenlage, wobei die auftretenden Amplituden
gering sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei Drehflügelflugzeugen der eingangs
genanntenArteinefreieSchwenkbewegung der Rotorblätter in technisch einfacher und
Aufwand sparender Weise in geeigneter Größe und richtiger Phasenlage zu erhalten.
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Eine Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß
im stationären Flug die Blattspitzenebene der Rotorblätter durch eine zyklische
Blattwinkelsteuerung relativ zur Rotorantriebsachse um mehr als 5° seitlich um eine
Achse geneigt ist, die durch den Rotormittelpunkt geht und parallel zur Flugzeuglängsachse
verläuft.
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Es sind zwar bereits Hub- und Flugschrauber mit ummantelten und nicht
ummantelten Rotoren bekannt, die zwischen den beiden Rotoren eine gelenkige Verbindung
aufweisen, die es ermöglicht, die Drehebene der ummantelten Rotoren gegenüber der
Drehebene der nicht ummantelten Rotoren zu neigen. Diese Anordnung läßt jedoch,
wie dies bei Hubschraubern. allgemein üblich ist, nur eine Neigung des Rotors um
die Flugzeugquerachse zu, wodurch die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe jedoch
nicht gelöst wird.
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Andererseits ist es bei den bekannten Hubschraubern im stationären
Flug nicht möglich, die Blattspitzenebene der Rotorblätter relativ zur Rotorantriebsachse
seitlich um eine Achse zu neigen, die durch den Rotormittelpunkt quer und parallel
zur Flugzeuglängsachse verläuft. In diesem Falle würden sich nämlich Seitenkräfte
ergeben, welche die Wirkungsrichtung des Drehflügelsystems in unerwünschter Weise
ändern würden.
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Bei einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Drehflügelrotor mit seitlich
geneigter Blattspitzenebene wird der Abstand der Blattelemente zur Antriebsachse
ständig verändert, wobei infolge von Corioliskräften die Blätter bei Annäherung
an die Drehachse in ihrem Umlauf beschleunigt und bei Entfernen von der Drehachse
verzögert werden. Durch den Konuswinkel des Rotors, der sich bei einem Blattanschluß
über Schlaggelenke selbsttätig einstellt bzw. der bei halbstarren Rotoren fest eingestellt
ist, ergibt sich bei geneigter Blattspitzenebene durch die Corioliskräfte eine resultierende
Schwenkbewegung, die im wesentlichen periodisch über dem Rotorumlauf ist und in
richtiger Phasenlage verläuft. Bei günstiger Massenverteilung der Blätter verläuft
die Schwenkbewegung in der Nähe ihrer Resonanz.
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Bei einem Drehflügelflugzeug mit einem Hauptrotor läßt sich gegenüber
den bekannten Drehflügelflugzeugen mit einer mechanischen Steuerung der
Schwenkbewegung
der Rotorblätter die richtige Phasenlage in einfacher Weise dadurch erhalten, daß
die Antriebswelle des Rotors um die Flugzeuglängsachse, je nach Drehrichtung des
Rotors, nach links oder rechts seitlich um mehr als 5° geneigt ist, wobei die Blattspitzenebene
horizontal liegt.
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Ein Rotor, der von oben gesehen im Uhrzeigersinn dreht, erfordert
hierbei eine Neigung der Blattspitzenebene gegenüber der Antriebsachse nach links,
ein entgegen dem Uhrzeigersinn drehender Rotor dagegen eine Neigung der Blattspitzenebene
nach rechts, in Flugrichtung gesehen.
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Außer für Drehflügelflugzeuge mit einem einzigen Rotor besitzt die
Erfindung auch Bedeutung für Drehflügelflugzeuge mit mehreren Rotoren. Gemäß der
Erfindung sind bei Drehflügelflugzeugen mit seitlich angeordneten Rotoren die Antriebswellen
der Rotoren parallel zur Flugzeughochachse angeordnet und die Blattspitzenebenen
nach außen oder innen geneigt.
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Mit einer solchen Anordnung der Rotoren läßt sich außerdem in einfacher
Weise die bei eimotorigen Drehflügelflugzeugen mit um die Flugzeuglängsachse geneigten
Antriebswellen auftretende Seitwärtskomponente der Luftkraftresultierenden, die
ungefähr senkrecht zur Blattspitzenebene steht, ausgleichen. Die Drehrichtung der
Rotoren ist hierbei abhängig von der Neigung der Blattspitzenebenen nach innen oder
außen.
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Um bei Drehflügelflugzeugen der vorgenannten Art zu vermeiden, daß
der Rotor um die Querachse schlägt und dadurch die Phasenlage der Schwenkbewegung
verschoben wird, ist es erforderlich, daß der Rotor gegenüber dem Rumpf bzw. der
Rotorwelle in der Längsebene keine relative Neigung besitzt. Dies kann dadurch vermieden
werden, daß die Querachsensteuerung des Flugzeuges bei größeren Fluggeschwindigkeiten
mittels eines Höhenleitwerks erfolgt.
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Es ist ferner vorgesehen, daß die Amplitude der Schwenkbewegung der
Rotorblätter durch je einen je einem Rotorblatt zugeordneten Dämpfer begrenzt wird,
wobei die Dämpfer zwecks Erzielung einer gleich großen Dämpfung aller Rotorblätter
durch ein während des Fluges verstellbares Gestänge miteinander verbunden sind.
Die Anordnung solcher Dämpfer ist deshalb von Vorteil, weil der Betriebsbereich
in Resonanznähe liegt, so daß sich bei manchen Flugmanövern zu große Schwenkwinkel
ergeben können. Die Dämpfer können dabei so ausgebildet sein, daß eine Schwenkbewegung
der Blätter im Schwebeflug ausgeschlossen wird. Die Verstellung der Dämpfer kann
ähnlich wie bei einer kollektiven Blattverstellung erfolgen. Eine besonders vorteilhafte
Lösung ist schließlich dadurch gefunden, daß die Dämpfung staudruckabhängig erfolgt.
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In den Figuren sind zwei Ausführungsbeispiele eines gemäß der Erfindung
ausgebildeten Drehflügelflugzeuges in schematischer Darstellung gezeigt. Hieran
sind die vorgenannten Vorteile näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 in einer Ansicht
vor vorn ein gemäß der Erfindung ausgebildetes einrotoriges Drehflügelflugzeug,
F i g. 2 eine Draufsicht auf ein Drehflügelflugzeug gemäß F i g. 1, F i g. 3 in
einer ähnlichen Ansicht wie F i g. 1 ein Drehflügelflugzeug mit zwei seitlich angeordneten
Rotoren, F i g. 4 in perspektivischer Darstellung einen Rotorkopf eines gemäß der
Erfindung ausgebildeten Drehflügelflugzeuges mit vier Rotorblättern und einer die
Schwenkbewegung der Blätter beeinflussenden Dämpfungseinrichtung.
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In den F i g. 1 und 2 ist mit 1 der Rumpf eines mit einem Vierblattrotor
ausgerüsteten Drehflügelflugzeuges bezeichnet, in welchem gemäß der Erfindung die
Rotorantriebswelle 2 um die durch die Drehachse eines Antriebsrades 3 verlaufende,
nicht näher bezeichnete Flugzeuglängsachse nach links seitlich um mehr als 5° geneigt
ist. Wie aus den Figuren weiterhin ersichtlich, sind die Rotorblätter 4 über Schlaggelenke
5 und Schwenkgelenke 6 am Rotorkopf 7 angeschlossen.
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Bei einer Drehung des Rotors und einer entsprechenden Abstimmung der
geometrischen und der Massenverhältnisse wird ein verzögertes Vorlaufen und ein
beschleunigtes Zurücklaufen der Blätter bei schräg eingebauter Antriebswelle 2 des
Drehflügelflugzeuges dadurch erreicht, daß den Rotorblättern 4, von denen in F i
g. 1 aus Gründen der übersichtlichkeit nur zwei gezeigt sind, durch zyklische Blattwinkelsteuerung
an sich bekannter Art ein entgegengesetztes Kippen um die Längsachse eingesteuert
wird. In dieser Lage schlägt der Rotor, d. h., der Abstand der Blattelemente zur
Drehachse wird ständig verändert. Daraus ergibt sich, wie bereits erwähnt, die Corioliskraft,
welche die Blätter bei Annäherung an die Drehachse beschleunigt, bei Entfernen von
der Drehachse dagegen verzögert (F i g. 2).
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In F i g. 3 ist ein Drehflügelflugzeug mit zwei an seitlichen Auslegern
8 angeordneten Rotoren gezeigt. Gemäß der Erfindung sind bei einem solchen Drehflügelflugzeug
die Antriebswellen 2 der Rotorblätter 4 parallel zur Flugzeughochachse angeordnet.
Durch entsprechende zyklische Blattwinkelsteuerung sind in diesem Ausführungsbeispiel
die Blattspitzenebenen nach außen geneigt. Die Erfindung ist jedoch auf die in F
i g. 3 gezeigte Neigung der Blattspitzenebenen nicht beschränkt, sondern die Ebenen
könnten in gleicher Weise auch nach innen geneigt sein.
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Durch die Neigung der Blattspitzenebenen nach innen oder nach außen
wird bei einem Drehflügelflugzeug mit seitlichen Rotoren außerdem der Vorteil erreicht,
daß die bei einrotorigen Drehflügelflugzeugen mit geneigter Blattspitzenebene auftretenden
seitlichen Kraftkomponenten unwirksam werden, da diese Komponenten entgegengesetzt
sind und sich infolgedessen aufheben.
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Im Gegensatz zu einrotorigen Drehflügelflugzeugen gemäß F i g. 1,
bei denen die Blattspitzenebene selbsttätig eine horizontale Drehlage einnimmt,
wird beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 die seitliche Neigung der Rotorebenen
durch eine mit der Blattwinkelsteuerung in Verbindung stehende Trimmeinrichtung
bewirkt.
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Da die Trimmeinrichtung und die zyklische Blattwinkelsteuerung von
an sich bekannter Art sein können und nicht Gegenstand der Erfindung sind, ist auf
eine nähere Darstellung dieser Einrichtungen verzichtet worden.
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Um eine Verschiebung der Phasenlage der Schwenkbewegung insbesondere
bei höheren Fluggeschwindigkeiten zu vermeiden, erfolgt bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den Fig. 1, 2 und 3 die Querachsensteuerung des Drehflügelflugzeuges mittels
eines Höhenleitwerkes 9.
In F i g. 4 ist in einer perspektivischen
Darstellung ein ebenfalls mit vier Rotorblättern ausgerüsteter Rotorkopf 10 eines
Drehflügelflugzeuges gezeigt. An den Armen 10a des Rotorkopfes sind die Rotorblätter
4 mittels Schwenkgelenken 11 und Gelenken 12 zur Verstellung des Rotorblatteinstellwinkels
angeschlossen.
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Um die Amplitude der Schwenkbewegung zu begrenzen, ist gemäß der Erfindung
jedem Rotorblatt ein an sich bekannter Dämpfer 13 zugeordnet. Diese Dämpfer sind
mit ihrem einen Ende an Armen 4 a der Rotorblätter 4 und mit ihrem anderen Ende
an den Armen 10 a des Rotorkopfes 10 angelenkt.
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Zwecks Erzielung einer gleich großen Dämpfung aller Rotorblätter sind
die Dämpfer 13 in ihrem Hub oder in ihrer Wirkung in an sich bekannter Weise verstellbar
ausgebildet. Um eine gleichzeitige Verstellung aller Dämpfer während des Fluges
zu ermöglichen, sind sie untereinander durch ein in Lagerböcken 10 b gelagertes
Schwenkgestänge 14 a und 14 b
verbunden.
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Die Verstellung der Dämpfung erfolgt mittels zweier auf dem Gestänge
14 a und 14 b gelagerter Kegelräder 15, 16, die in nicht näher gezeigter
Weise mittels eines konzentrisch zur Rotorachse gelagerten dritten Kegelrades synchron
angetrieben werden. Auf diese Weise läßt sich unter Beibehaltung einer gleich großen
Dämpfung aller Rotorblätter die Wirkung der Dämpfer kollektiv regeln, wobei diese
Regelung in an sich bekannter Weise entweder von Hand oder auch staudruckabhängig
erfolgen kann.
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Die Dämpfer 13 können ferner so ausgebildet sein, daß die Schwenkbewegung
der Rotorblätter im Schwebeflug verhindert wird, so daß beispielsweise Bodenresonanzen
ausgeschlossen werden.