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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuer- und Stabilisierungseinrichtung
für Hubschrauber, bei dem die Rotorblätter in ihren Anstellwinkeln über Gestänge
verstellbar sind.
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Es sind bereits Hubschrauber mit schaukelnden oder halbstarren Drehflügeln
bekannt, bei denen die Rotorblätter in ihren Anstellwinkeln über Gestänge verstellbar
sind und bei dem die Steuereingänge vom Steuerknüppel aus zu einer Taumelscheibe
und dann zu den Rotorblättern übertragen werden, wobei ein Steuerkreisel diese Steuereingänge
entweder verstärkt oder abschwächt. Bei Hubschraubern mit schaukelnden oder halbstarren
Rotoren stabilisiert der schaukelnde Drehflügel nur sich selbst; denn die Antriebswelle
sowie der Rumpf des Flugzeuges sind am gleich einem Pendel aufgehängt.
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Die Erfindung hat- sich die Aufgabe gestellt, die Stabilität von Hubschraubern
mit starrem Rotor zu erhöhen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch
die Vereinigung folgender, einzeln bekannter Merkmale a) starrer Rotor, b) Steuerkreisel
mit seitlichen Armen, an deren Enden Gewichte angebracht sind, c) federnde Elemente
im Gestänge und einer solchen Anordnung des Steuerkreisels, daß das vom Steuerknüppel
kommende Gestänge, der Steuerkreisel und das den Steuerkreisel mit den Rotorblättern
verbindende Gestänge in Reihe hintereinandergeschaltet sind.
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Vorteilhafterweise sind die Arme des Steuerkreisels an einer an der
Antriebswelle des Rotors angebrachten Taumelscheibe befestigt. Zweckmäßigerweise
sind die am Steuerkreisel vorgesehenen Anlenkpunkte der den Steuerkreisel mit den
Rotorblättern verbindenden Gestängeglieder um einen Winkel von 60° in Bezug auf
die Anstellachse der Rotorblätter in Drehrichtung gesehen nach vorn versetzt. Die
Rotorblätter sind in Bezug auf die Anstellachse in Drehrichtung gesehen nach vorn
verschwenkt angeordnet.
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Durch die Erfindung wird ein Hubschrauber mit einer Steuereinrichtung
geschaffen, der eine hohe eigene Stabilität aufweist, die einen störungsfreien Flug
bei jedem Wetter ermöglicht. Es hat sich gezeigt, daß eine auf den Rotor einwirkende
Störung bewirkt, daß der Anstellwinkel des Rotors geändert und die Wirkung der Störung
gedämpft wird.
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An Hand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es zeigt F i g. 1 eine Draufsicht auf den starren Rotor, dessen Taumelscheibe und
den Steuerkreisel, F i g. 2 eine schaubildliche Darstellung des starren Rotors,
dessen Taumelscheibe und des Steuerkreisels, F i g. 3 eine schematische Darstellung
der Steuer-und Stabilisierungseinrichtung, F i g. 4, 5 und 6 je eine Darstellung
der Stabilität, F i g. 7, 8 und 9 -je eine Darstellung der Steuerbewegungen für
eine periodische Steuerung des Rotors, F i g. 10, 11 und 12 je eine Darstellung
der Vorwärtsgeschwindigkeitsstabilität des Rotors, F i g. 13, 14 und 15 je eine
Darstellung der Auswirkungen des nach vorn verschobenen Rotorblattes beim Auftreten
einer Störkraft.
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Der starre Rotor besteht aus den Rotorblättern 10, 11 und 12, die
an den Gliedern 15, 16 und 17 befestigt sind, die ihrerseits um die Anstellachse
drehbar an der Nabe 20 angebracht sind. Die Glieder sind auf den an der Nabe angebrachten
Achsen mit Hilfe von Lagern gelagert, die ein Verschwenken um die Anstellachse ermöglichen.
Die Fliehkräfte der Rotori Blätter werden über die Glieder 15, 16 und 17 auf die
Nabe und die senkrechte Antriebswelle 22 übertragen. Die Lager lassen nur eine freie
Bewegung der Rotorblätter zur periodischen und kollektiven Änderung des Anstellwinkels
zu. Die Nabe ist an der Antriebswelle 22 starr befestigt, und diese ist am Hubschrauberrumpf
starr befestigt.
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Die Steuerung des Anstellwinkels der Rotorblätter 10, 11 und 12 erfolgt
über Hörner 25, 26 und 27, die an der vorderen Kante der Glieder 15, 16 und 17 befestigt
sind. Am vorderen Ende der Hörner 25, 26 und 27 sind die Glieder 30, 31 und 32 angebracht,
die mit dem unteren Ende an die Kante einer Taumelscheibe 35 angelenkt sind. Die
Taumelscheibe 35 dreht sich mit dem Rotor.
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Abgesehen von der Ausnutzung der gyroskopischen Trägheit des Rotors
wird noch ein Steuerkreisel mit seitlichen Armen 40, 41 und 42 verwendet, die an
der Kante der Taumelscheibe 35 starr befestigt sind und an ihren Enden mit Gewichten
45, 46 und 47 ausgestattet sind. Die Taumelscheibe 35 dient zur Steuerung des Anstellwinkels
der Blätter. Die Gewichte 45, 46 und 47 sind so ausgebildet, daß sie eine aerodynamisch
positive Anstellung aufweisen und einen aerodynamischen Auftrieb erzeugen, der für
die Steuerung ausgenutzt wird, wie noch beschrieben wird.
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Die in der F i g. 3 dargestellte periodische Anstellwinkelsteuerung
erfolgt in der herkömmlichen Weise durch Druck und Zug, wobei eine Teleskopfederung
zwischen dem Steuerorgan des Piloten und den Rotorblättern zwischengeschaltet ist.
Da der Steuerkreisel durch Kraft gesteuert wird, erfolgt durch die Zwischenschaltung
dieser Teleskopfederung eine Anpassung der periodischen Ausschläge des Steuerorgans
an die erforderliche Steuerkraft. Die Teleskopfederung moduliert ferner die Steuerbewegungen
des Piloten derart, daß der Hubschrauber seine Lage in einem Ausmaß ändert, das
der Auslenkung des Steuerorgans (Steuerstange 50) entspricht. Die Teleskopfederung
läßt außerdem zu, daß der Steuerkreisel seine Flugstabilität beibehält, selbst wenn
das Steuerorgan starr festgehalten wird.
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Der Rotor und der Steuerkreisel müssen als zwei rotierende Massen
angesehen werden, die gyroskopische Merkmale aufweisen und sich bei der getroffenen
Anordnung in parallelen Ebenen zu drehen suchen. An diese rotierenden Massen angrenzend
sind die Glieder 15, 16 und 17 angeordnet, die den Steuerkreisel mit jedem seitlichen
Arm für die Anstellung der Blätter derart verbinden, daß die Steuerung an einer
von der Anstellachse um theoretisch um 90° versetzten Stelle aus erfolgt. Solange
die Ebenen des Steuerkreisels und des Rotors parallel bleiben, wird keine periodische
Änderung des Anstellwinkels eingeführt. Erfolgt jedoch eine Verlagerung des Rotors
oder des Steuerkreisels in Bezug aufeinander, so führt dies selbsttätig zu einer
periodischen Änderung des Anstellwinkels. Dem Zufall unterliegende äußere Kräfte,
wie Böen oder körperliche Bewegungen, suchen den Drehflügel zu versetzen, während
die beabsichtigten Steuerbewegungen des Piloten den Steuerkreisel versetzen.
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Es sei angenommen, daß der Rotor und der Hubschrauberrumpf
sich
aus irgendeinem äußeren Grunde nach oben neigen. Dies kann viele Ursachen haben.
Beispielsweise könnte eine Bö den Rotor oder den Hubschrauberrumpf erfassen und
eine Rollbewegung verursachen mit der Folge, daß der Rotor, da er einen Kreisel
darstellt, sich um 90° voraus nach oben zu neigen sucht, wie in der F i g. 4 dargestellt.
Während der Rotor sich nach oben zu neigen sucht, verbleibt der an der Antriebswelle
über die Taumelscheibe 35 kardanisch angebrachte Steuerkreisel in seiner ursprünglichen
Ebene. Die Drehebenen des Rotors und des Steuerkreisels liegen daher nicht mehr
parallel zueinander. Der resultierende Winkel zwischen den genannten beiden Drehebenen
bewirkt eine periodische Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter, wobei der
größte Anstellwinkel an der zurückweichenden Seite und der kleinste Anstellwinkel
an der der Flugrichtung zugewandten Seite nach der F i g. 5 auftritt. An der zurückweichenden
Seite des Rotors ist der aerodynamische Hub daher größer als an der sich in der
Flugrichtung bewegenden Seite. Dieser unterschiedliche Hub führt zu einer Rollbewegung
des Rotors nach rechts; der als Kreisel reagierende Rotor eilt jedoch nach und senkt
sich nach unten. Diese Neigungsbewegung des Rotors nach unten wirkt der Tendenz
der Aufwärtsneigung entgegen, die die Folge der äußeren Störung war.
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Der Steuerkreisel erzeugt bei Einwirkung eines Störmomentes ein dem
Rotor entgegenwirkendes aerodynamisches Moment, so daß der Rotor in seine ursprüngliche
Ebene zurückkehrt.
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Um eine Querverkoppelung der Neigungs- und Rollbewegungen zu verhindern,
die die Folge wäre, wenn der Winkel zwischen der Anstellachse eines Blattes und
den versetzten Gliedern genau 90° betragen würde, wird eine Versetzung von ungefähr
60° benutzt.
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Infolge des Einbaus der Teleskopfederung wird bei einem Stoßen der
Steuerstange 50 für die periodische Steuerung nach vorn dem Steuerkreisel über die
Gestängeglieder eine rechtsseitige Rollbewegung nach unten erteilt, wie in der F
i g. 3 dargestellt. Diese Gestängeglieder bestehen aus dem Kniehebel 51, der Stange
52, dem Kniehebel 53, der Stoßstange 54, dem Kniehebel 55, der Stoßstange 56, der
Teleskopfederung 60 in der Stoßstange 61, dem Kniehebel 62, dem Glied 63, dem Kniehebel
64, der mit dem Jocharm 65 der kollektiven Anstellung gelenkig verbunden ist, und
aus der mit der Taumelplatte 35 gelenkig verbundenen Längssteuerstoßstange 66. Es
wird darauf hingewiesen, daß die Steuerverbindung der Längssteuerstoßstange 66 mit
der Unterseite der Taumelscheibe um 90° vor der Stelle der gewünschten Änderung
der Anstellung liegt.
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Die Rollbewegung bewirkt eine Voreilung der An- ; stellung im Steuerkreisel,
die von den versetzten Gestängegliedern auf den Rotor übertragen wird "und periodische
Änderungen der Anstellung in_ den- seitlichen Sektoren der Rotorscheibe bewirkt.
iese periodischen seitlichen Änderungen der Anstellung verursachen bei dem Rotor
ein aerodynamisches Rollmoment. Der Rotor eilt dann voraus und erzeugt eine Neigungsbewegung
nach unten. Da der Drehflügel mit dem Hubschrauberrumpf starr verbunden ist, neigt
sich der Hubschrauber, wie vom Piloten beabsichtigt, nach unten, wenn dieser die
Steuerstange 50 nach vorn stößt. Dieser Vorgang ist in den F i g. 7 bis 9 dargestellt.
Einen ähnlichen Vorgang erzeugt eine Rollbewe=,-gung des ganzen Hubschraubers, wenn
der Pilot die Steuerstange 50 für die periodische Steuerung nach irgendeiner Seite
bewegt, wobei die Steuerkraft über die Teleskopfederung 70 auf das seitliche Gestänge
übertragen wird.
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Die F i g. 3 zeigt ein herkömmliches kollektives Anstellsteuersystem
mit dem Hebel 72 für die kollektive Anstellung, wobei die Kräfte über das kollektive
System auf den Jocharm 65 übertragen werden, der mit einem Ansatz der Transmission
gelenkig verbunden ist. Die innenliegenden Enden des Jocharms für die kollektive
Anstellung sind mit einer Kollektivanstellungshülse verbunden, die sich senkrecht
bewegt. Mit dem Jocharm 65 für die kollektive Anstellung sind, wie bei den herkömmlichen
Hubschraubern bisher üblich, die Längs- und Seitengestängeglieder gelenkig verbunden.
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Die Stabilität der Vorwärtsgeschwindigkeit wird dadurch erzielt, daß
die Gewichte 45, 46 und 47 des Steuerkreisels als aerodynamische Hubflächen benutzt
werden, wobei diese einen verhältnismäßig großen Anstellwinkel aufweisen, so daß
während des gesamten periodischen Bereichs des Steuerkreisels ein Hub aufrechterhalten
wird. Beim Flug erzeugen die Gewichte des Steuerkreisels an der vorrückenden Seite
einen stärkeren Hub als die Gewichte an der zurückweichenden Seite. Dieser unausgeglichene
Hub am Steuerkreisel erzeugt eine Steuerbewegung, die den Steuerkreisel an der vorrückenden
Seite nach oben zu kippen sucht. Nach dem gyroskopischen Gesetz der Voreilung führt
dieses Steuermoment zu einer Neigung des Steuerkreisels nach oben im Gegensatz zu
der Neigung, die von der Steuerbewegung des Piloten bewirkt wird. Selbst wenn der
Steuerkreisel sich in der gewünschten Lage stabilisiert hat, so erfordern diese
Hubflächen jeoch, daß der Pilot beständig eine Steuerkraft ausübt, um die gewünschte
Lage beizubehalten. Erhöht sich die Vorwärtsgeschwindigkeit, so erzeugen diese aerodynamischen
Hubflächen am Steuerkreisel ein größeres unausgeglichenes Moment, das bei erhöhter
Geschwindigkeit stärkere Kräfte an der Steuerstange 50 erfordert. Im allgemeinen
können diese Kräfte durch geeignete Maßnahmen ausgeglichen werden, so daß der Hubschrauber
den Vorwärtsflug ohne Steuerung durch den Piloten beibehält. Diese Maßnahmen zum
Ausgleichen der genannten Kräfte sind bekannt.
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Wird zum Entgegenwirken der Voreilung des Steuerkreisels keine entsprechende
Maßnahme getroffen oder werden keine Steuerkräfte ausgeübt, so wird eine periodische
Anstellung der Rotorblätter bewirkt mit der Folge, daß die Ebene des Rotors nach
oben voreilt und in eine parallele Lage zur Steuerkreiselebene gelangt. Da der Rotor
am Hubschrauberrumpf starr angebracht ist, so neigt sich der Hubschrauber allmählich
nach oben und kehrt zur Vorwärtsgeschwindigkeit Null oder zu der vorher eingestellten
Trimmgeschwindigkeit zurück, je nachdem, ob zu Beginn eine Trimmstellung vorgenommen
wurde oder nicht.
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Dieses Prinzip ist in den F i g.10 bis 12 dargestellt. Die F i g.
10 zeigt den Rotor und den Steuerkreisel in der Gleitlage. Die verschiedenen Längen
der Kraftpfeile kennzeichnen den unterschiedlichen aerodynamischen Hub an der vorrückenden
und der zurückweichenden Seite des Steuerkreisels. Die F i g.11 zeigt die Lage,
die der Steuerkreisel einzunehmen
sucht, wenn vom Piloten keine
entgegenwirkende Kraft oder ein Trimm ausgeübt wird. Die F i g.12 zeigt die Lagen,
die der Steuerkreisel und der Rotor einnimmt, wenn vom Piloten keine konstante Steuerung
ausgeübt wird, nachdem der Steuerkreisel eine periodische Anstellung der Rotorblätter
bewirkt hat mit der Folge, daß der Rotor vorauseilt und sich nach oben neigt.
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Wie aus der F i g.1 zu ersehen ist, sind die Rotorblätter in der Drehrichtung
nach vorn verschoben. Diese Blattverschiebung wird in der Weise gebildet, daß die
aerodynamische Achse vor die Anstellachse gelegt wird, so daß zwischen der aerodynamischen
Achse und der Anstellachse ein Winkel gebildet wird. Die Verschiebung der Rotorblätter
in der Vorwärtsrichtung dient denn Zweck, die Rotormomente zu dämpfen und eine dynamische
Unstabilität der Rotorblätter zu verhindern. Um zu verhindern, daß die Rotormomente
sich zu einer Unstabilität der Rotorblätter vergrößern, wurde die Einrichtung mit
einer positiven Elastizität versehen. Der Steuerkreisel wird in der Weise ausgenutzt,
daß die Rotorblätter als Funktion der Blattverschiebung einer störenden Kraft nachgeben.
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Dieses Prinzip wird am besten durch eine nochmalige Erläuterung des
Grundsystems und der Wechselwirkung zwischen dem Steuerkreisel, dem Rotor und dem
diese miteinander verbindenden Gestänge beschrieben. Zur Vereinfachung dieser Erläuterung
soll der Fall behandelt werden, wenn ein einzelnes Rotorblatt sich nach oben bewegt.
Die Ursache hierfür kann in der Einwirkung von äußeren Kräften oder in einem größeren
aerodynamischen Hub eines einzelnen Blattes bestehen. Die F i g. 13 bis 15 zeigen,
in welcher Weise eine äußere Kraft bewirkt, daß das Rotorblatt 10 über dem vorderen
Teil des Hubschraubers sich aus der Spur nach oben hinausbewegt. Infolge der gyroskopischen
Wirkung erfolgt die Reaktion 90° stromabseitig längs der Umlaufbahn, so daß die
Stelle der größten Abweichung von der Spur auf der zurückweichenden Seite des Rotors
liegt. Da das Rotorblatt von der Anstellachse aus nach vorn verschwenkt ist und
die Wurzel des Rotorblattes von den Lagern festgehalten wird, und da ferner das
Horn 25 an der vorderen Seite der Lagerung liegt, bewirkt dieses Aufwärtsbiegen
des Blattes in diesem ein strukturelles Biegemoment aus der Ebene heraus; dem ein
Widerstand entgegengesetzt wird durch ein Biegemoment in der Nabe und einer Kraft
in, dem am Horn 25 angebrachten Glied 30. Diese Kraft im Glied 30 wird vom Steuerkreisel
als Steuerbewegung aufgenommen mit der Folge, daß dieser die rückwärtige Kante der
Kreiselebene anzuheben sucht. Als Kreisel eilt er voraus, und bei 90° stromab steigt
die vorrückende Seite des Steuerkreisels an, Erreicht das dem Blatt 10 zugeordnete
Gestänge diese hochliegende Stelle der Steuerkreiselebene, was der Fall ist, wenn
das Blatt seine rückwärtige Lage einnimmt, so wird der Anstellwinkel des Blattes
vergrößert oder verkleinert, wenn das Blatt die vordere Lage über dem vorderen Teil
des Hubschraubers erreicht, wodurch der störenden Kraft entgegengewirkt und diese
gedämpft wird.
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Erzeugt aus irgendeinem Grunde ein einzelnes Blatt einen größeren
Hub als die übrigen Blätter an einer bestimmten Stelle in der Drehebene, so bewirkt
die Blattverschwenkung eine Auswuchtung des aus der Spur befindlichen Blattes gegen
die anderen beiden Blätter, bis auf den Steuerkreisel keine Steuerkraft mehr ausgeübt
wird. Dadurch wird die Strecke verkleinert, über die das Blatt von der Spur abweicht.