DE1506613B - Einrichtung zur Steuerung eines Hubschraubers mit zwei gegenläufigen Auftriebsrotoren - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beide Steuervorrichtungen mittels eines gesonderten, vom Piloten betätigten Antriebs oder mittels einer selbsttätigen, auf die Fluggeschwindigkeit ansprechenden Stellvorrichtung mit Bezug auf die beiden Rotoren gegensinnig so betätigbar sind, daß die Angriffspunkte der Auftriebsvektoren an dem einen und dem anderen Rotor unter Aufhebung der Rollmomente gegenüber der Rotordrehachse gegensinnig versetzt in einem Bereich zwischen inneren und το äußeren Grenzen einstellbar sind, von denen die äußere Grenze durch folgende Formeln bestimmt ist:

P = 53 μ, wobei 0 5Ξ μ ^ 0,8,

P = 37,5e (0,7 [0,8 - μ]) + 5; wobei μ > 0,8 *5

und von denen die innere Grenze durch folgende Beziehungen bestimmt ist;

P = 40 μ, wobei 0 <Ξ μ <Ξ 0,8,
P = 37,5 e (0,7 [0,8 - μ]) - 5; wobei μ > 0,8
und worin

P = Versetzung des resultierenden Rotorauftriebsvektors in Prozent des Rotorradius,
μ = Vorwärtsverhältnis,
e = Basis des natürlichen Logarithmus.

Ein mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgerüsteter Hubschrauber hat außerdem den Vorteil, daß er eine hervorragende Manövrierfähigkeit und ein ruhiges Flugverhalten aufweist, wobei der zulässige Neigungswinkel bei allen Vorwärtsgeschwindigkeiten mindestens 60° beträgt. Auf Grund des besseren Verhältnisses von Auftrieb zu Strömungswiderstand ist ein Flug in höheren Lagen möglich. Zusätzliche Antriebsmittel sind nur bei sehr hohen Fluggeschwindigkeiten erforderlich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es stellt dar

Fig. 1 einen Hubschrauber, auf welchen die Erfindung anwendbar ist,

F i g. 2 einen Schnitt durch den Rotorkopf,

F i g. 3 eine schaubildliche Darstellung der Einrichtungen zur Blattanstellwinkelsteuerung,

F i g. 4 eine schematische Aufsicht auf einen Hubschrauber während des Fluges zur Erläuterung des Auftriebsunterschiedes zwischen vorlaufenden und rücklaufenden Rotorblättern,

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Hubschraubers bekannter Art mit Schlaggelenken zur Begrenzung des Auftriebs der vorlaufenden Rotorblätter gegenüber dem Auftrieb der rücklaufenden Rotorblätter,

F i g. 6 eine schematische Abbildung eines Hubschraubers mit koaxialen Einzelrotoren,

F i g. 7 eine graphische Darstellung mit einem Vergleich des Auftriebsvermögens eines erfindungsgemäßen Hubschraubers gegenüber dem Auftriebsvermögen bekannter Hubschrauber und

F i g. 8 eine graphische Darstellung, in welcher über dem Vorwärtsverhältnis (Verhältnis der Hubschrauber-Vorwärtsgeschwindigkeit zur Geschwindigkeit der Blattspitzen) die zur Erzielung eines maximalen Verhältnisses von Auftrieb zu StrömungSr widerstand erforderliche seitliche Verstellung des resultierenden Rotorauftriebsvektors aufgetragen ist.

F i g. 1 zeigt einen Hubschrauber 10 mit einem Rumpf 12, welcher z. B. ein dreiteiliges Fahrgestell 14 und 16 besitzt. Der Rumpf 12 weist eine Pilotenkanzel 18 und entweder eine Last- oder eine Passagierkabine 20 auf. Der Rotorkopf 22 ragt aus dem Rumpf 12 hervor und trägt zwei gegenläufige, starre Rotoren 24 und 26, welche um die Drehachse 28 umlaufen. Jeder Rotor 24 und 26 hat wenigstens drei Blätter, welche starr am Rotorkopf 22 befestigt sind, so daß die Blätter relativ zum Rotorkopf mit Ausnahme der Durchbiegung nur eine Bewegung zur Veränderung des Blattanstellwinkels ausführen können. Die Rotoren 24 und 26 sind in Phase, so daß die Blätter sich über dem Heckkegel des Rumpfes übereinander weg bewegen. Hierdurch bleibt die Belastung des Rotors symmetrisch zu der Rumpfachse, und die Schwingungen werden verringert. Eines oder mehrere Triebwerke 30 werden in Gehäusen 32 am Rumpf 12 gehalten und jedes Triebwerk 30 ist zum Antrieb der Rotoren 24 und 26 durch eine Kraftübertragung veränderbarer Drehzahl 31 und ein geeignetes Getriebe mit dem Rotorkopf 32 verbunden. Ein oder mehr Zusatzantriebe 33 in Form von Strahltriebwerken oder Luftschrauben können als Zusatz-Schuberzeuger bei Geschwindigkeiten über 425 km/h verwendet werden.

Der Rotorkopf 22 ist in F i g. 2 dargestellt. Er ragt vom Rumpf 12 auf, an welchem er abgestützt ist. Der Rotorkopf 22 umfaßt ein Gehäuse 40, welches von dem Rumpf 12 getragen wird, einen Antrieb 42, eine äußere Antriebswelle 44, eine innere Antriebswelle 46 und die Rotoren 24 und 26.

Das Gehäuse 40 besteht aus einem äußeren, starren Gehäuse 50 und einem inneren, starren Gehäuse 52. Lager 54 und 56 befinden sich zwischen dem äußeren Gehäuse 50 und der äußeren Antriebswelle 44, um letztere in dem Gehäuse 50 um die Achse 28 drehbar zu lagern. Lager 58, 60 und 62 sind zwischen dem inneren Gehäuse 52, dem äußeren Gehäuse 50 und der inneren Antriebswelle 46 angeordnet, um die innere Antriebswelle 46 in dem Gehäuse 52 um die Achse 28 drehbar zu lagern. Das Getriebe 42 besitzt eine Welle 70, welche durch den Antriebsmotor oder mehrere Motoren 30 getrieben wird, sowie ein Zahnrad 72, welches mit dem Zahnrad 74 der inneren Antriebswelle 46 kämmt, um eine Drehung der inneren Antriebswelle 46 um die Drehachse 28 zu erreichen. Die Welle 70 weist auch ein Zahnrad 80 auf, welches über ein Zwischenrad 82 das Antriebsrad 84 der äußeren Antriebswelle 44 antreibt, um eine Drehung der äußeren Welle 44 um die Drehachse 28 entgegengesetzt zur Drehrichtung der inneren Antriebswelle 46 zu erreichen. Die Zahnräder des Getriebes 42 können so gewählt werden, daß die Rotoren 24 und 26 in entgegengesetzten Richtungen und mit gleicher Drehzahl umlaufen.

Der Rotor 24 besitzt eine Nabe 90, welche zur Drehung um die Achse 28 an der inneren Antriebswelle 46 befestigt ist. Die Nabe 90 besitzt wenigstens drei Flansche 92, welche vorzugsweise in gleichem Umf angsabstand zueinander angeordnet sind und sich von der Nabe 90 weg erstrecken. Die Wurzel 94 eines jeden Rotorblattes 96 wird in einem der Flansche 92 aufgenommen und durch die Anstellwinkel-Verstell-Lager 98 und 100 getragen, so daß die Rotorblätter um die Holmachse 102 beweglich sind.

In entsprechender Weise besitzt der Rotor 26 eine Nabe 110. welche wenigstens drei in gleichem Um-

fangsabstand zueinanderstehende Flansche 112 aufweist, die sich von der Nabe 110 weg erstrecken. Jeder Flansch 112 nimmt die Wurzel 114 eines Rotorblattes 116 auf, so daß das Blatt 116 in dem Flansch 112 durch die Lager 118 und 120 getragen wird und um die Holmachse 122 drehbar ist.

Die Blätter 96 und 116 sind starr an die Naben 90 bzw. 110 angeschlossen, so daß die Rotoren 24 und 26 als starre Rotore zu bezeichnen sind. Es sind keine Blattgelenke oder Biegeteile vorgesehen, welche eine Schlagbewegung der Blätter erlauben.

Der Anstellwinkel der Blätter 96 und 116 der beiden Rotoren 24 und 26 kann sowohl kollektiv als auch periodisch durch eine übliche Taumelscheibenanordnung verändert werden. Die Taumelscheibenanordnung 130 ist an dem inneren Gehäuse 52 befestigt und weist einen Ring 132 auf, welcher längs der Achse 28 bewegt werden kann. Ein Lager 136 befindet sich zwischen dem Ring 132 und dem Gehäuse 52 und verhindert eine Drehung des Ringes 132 um die Achse 28, während eine Längsbewegung des Ringes 132 mit Bezug auf die Achse 28 zugelassen wird. Die Taumelscheibenanordnung 130 weist ferner einen inneren Kardanring 133, welcher um die Achse 134 schwenkbar ist, weiter einen äußeren Kardanring 135, welcher um die Achse 137 schwenkbar ist und einen Ring 138 auf, welcher gegenüber dem Ring 135 durch das Lager 140 abgestützt ist und mit den Blättern 96 um die Achse 28 umläuft. Eine Stoßstange 142 geht von dem Ring 138 aus und ist gelenkig mit dem Blatthebel 144 des Rotorblattes 96 verbunden, um den Anstellwinkel des Rotorblattes 96 in Übereinstimmung mit der Bewegung der Taumelscheibenanordnung 130 zu verändern.

Eine weitere Taumelscheibenanordnung 150 ist der Taumelscheibenanordnung 130 ähnlich und ist an dem äußeren Gehäuse 50 angeordnet, um den Anstellwinkel der Rotorblätter 116 des Rotors 26 zu verändern. Die Taumelscheibenanordnung 150 besitzt einen Ring 152, welcher durch ein Lager 154 mit dem Gehäuse 50 verbunden ist, so daß der Ring 152 gegen eine Drehung um die Achse 28 gesichert ist, sich jedoch entlang der Achse 28 bewegen kann. Die Taumelscheibenanordnung 150 besitzt weiter einen inneren Kardanring 153, welcher um die Achse 156 drehbar ist, einen äußeren Kardanring 155, welcher um die Achse 157 drehbar ist, und einen Ring 160, welcher von dem Ring 155 durch das Lager 162 abgestützt ist, so daß er mit den Rotorblättern 160 um die Achse 28 drehbar ist. Eine Stoßstange 164 geht von dem Ring 160 aus und ist gelenkig mit dem Blatthebel 166 der Rotorblätter 116 des Rotors 26 verbunden.

Die Einrichtungen zur Steuerung der Taumelscheibenanordnungen 130 und 150 im Sinne einer kollektiven und periodischen Anstellwinkelveränderung der Rotorblätter der Rotore 24 und 26 sei in Verbindung mit F i g. 3 näher erläutert.

Die Steuer- und Mischgestänge 500 für den Hubschrauber enthalten eine Steuersäule 200, welche an einer Nabe 202 befestigt und um die Achse 204 drehbar ist. Ein Lagergehäuse 206 ist am oberen Ende der Steuersäule 200 angeordnet. Ein Steuerrad 206 ist mit einem Ende einer Achse 210 verbunden, welche drehbar in dem Gehäuse 206 gelagert ist, und ein Hebel 212 ist drehfest mit dem anderen Ende der Achse 210 verbunden. Eine von dem Hebel 212 ausgehende Stange 214 ist mit einem Winkelhebel 216 verbunden, welcher mittels einer Achse 218 drehbar an der Rahmenkonstruktion gelagert ist. Eine weitere Stange 220 verbindet den Winkelhebel 216 mit den Hebelarmen 222 im Punkt 224. Die Hebelarme 222 sind mittels einer Achse 226 drehbar mit der Rahmenkonstruktion verbunden. Eine Doppelrolle 228 sitzt frei drehbar auf der Achse 226 zwischen den Hebelarmen 222. Ferner ist ein Rad 230 zwischen den Hebelarmen 222 auf der Achse 232 drehbar befestigt. Stangen 234 und 236 erstrecken sich vom Umfang des Rades 230 weg und sind mit Winkelhebeln 238 bzw. 240 verbunden. Eine Drehung des Steuerrades 208 ruft eine Vor- oder Rückwärtsdrehung des Rades 230 um die Achse 226 und eine entsprechende Bewegung der Winkelhebel 238 und 240 hervor.

Eine Stange 242 erstreckt sich von der Verbindung 244 an der Steuersäule 200 zu dem Ansatz 246 in der Mitte einer Stange 248. Diese ist an ihren Enden mit Winkelhebeln 250 bzw. 252 verbunden. Eine Vor- und Rückwärtsbewegung der Steuersäule 200 ruft eine entsprechende Bewegung an den Winkelhebeln 250 und 252 hervor.

Ein Steuerungsgrifl 254 ist mit einem Hebel 256 fest verbunden und drehbar an der Achse 258 gegenüber der Rahmenkonstruktion gelagert. Eine Stange 260 verbindet den Hebel 256 mit dem Winkelhebel 262. Die Stange 264, welche durch die Winkelhebel 262 betätigt wird, ist mit den Hebelarmen 266 im Punkt 268 verbunden. Die Hebelarme 266 sind gegenüber der Rahmenkonstruktion mittels einer Achse 270 drehbar gelagert. Die Doppelrolle 272 sitzt frei beweglich auf der Achse 270 und befindet sich zwischen den Hebelarmen 266. Ein Rad 274 ist drehbar zwischen den beiden Hebelarmen 266 auf einer Achse 276 angeordnet, und vom Umfang des Rades 274 erstrecken sich zwei Stangen 278 und 280 hinweg, welche mit den Winkelhebeln 282 bzw. 284 verbunden sind.

Spannungsfedern 286 und 287, welche fest an der Rahmenkonstruktion verankert sind, stehen mit einem Ansatz des Winkelhebels 262 in Verbindung und drängen infolgedessen den Steuerungsgriff 254 in eine neutrale Stellung.

In unmittelbarer Nähe des Steuerungsgriffes 254 befindet sich ein Drosselsteuerungsgriff 288, welcher ebenfalls drehbar auf der Achse 258 sitzt. Der Hebel 290, welcher mit dem Drosselsteuerungsgriff 288 fest Verbunden ist, betätigt die Stange 292, welche mit den Antriebsmotoren 30 (F i g. 1) in Verbindung steht.

Die Winkelhebel 238 und 250 sitzen drehbar auf der Welle 294, und die Winkelhebel 240 und 252 sind drehbar auf der Welle 296. Die Hebelarme 298 und 300 sind jeweils durch einen Stift drehfest mit den Wellen 294 bzw. 296 verbunden, und die Wellen sind ihrerseits durch einen Stift in ihren Verbindungen mit den Winkelhebeln 282 bzw. 284 und Trägerarmen 302 bzw. 304 festgelegt. Die Wellen 306 und 308 sind durch einen Stift mit den entsprechenden Winkelhebeln und Stützarmen fest verbunden und an der Rahmenkonstruktion drehbar gelagert. Man erkennt, daß bei einer Drehbewegung der Winkelhebel 282 und 284 durch den Steuerungsgriff 254 die Winkelhebel und Hebel, welche an den Wellen 294 und 296 befestigt sind, und die zugehörigen Schubstangen 310, 312, 314, 316, 318 und 320 gemeinsam auf- und abwärts bewegt werden.

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Fußhebel 322 und 324 sind drehbar mit einer Verschieben der Kardanringe an dem Gehäuse 52 mit

Achse 326 verbunden, welche starr an der Rahmen- Hilfe der Schubstangen 316, 318 und 320 steuert die

konstruktion befestigt ist. Ein Drahtseil 328 läuft periodische und kollektive Anstellwinkeleinstellung

vom Fußhebel 322 über die Zwischenrolle 330 und an den Rotorblättern des oberen Rotors 24.

eine Scheibe der Doppelrolle272, umgibt den Um- 5 Aus Fig. 3 und Fig. 2 ist ersichtlich, daß die kol-

fang des Rades 274 und läuft zurück über die an- lektive Anstellwinkeleinstellung der beiden Rotoren

dere Scheibe der Doppelrolle 272 über eine Zwi- durch Betätigung des Steuerungsgriffes 254 vergrö-

schenrolie 332 zum Fußhebel 324. Durch eine Be- ßert oder verkleinert wird. Diese Betätigung veran-

wegung der Fußhebel 322, 324 dreht sich das Rad laßt das Rad 274, sich vor- und rückwärts zu drehen,

274 und veranlaßt die Winkelhebel 282 und 284 mit io da die Hebelarme 266 um den Drehpunkt 270

ihren zugehörigen Schubstangen, sich in entgegen- schwenken und alle Schubstangen 310, 312, 314,316,

gesetzten Richtungen zu bewegen. Die Fußhebel be- 318 und 320 gleichzeitig auf- oder abwärts bewegt

wirken demnach, daß die Schubstangen 310, 312 und werden. Eine unterschiedliche, kollektive Anstell-

314 gegensinnig zu den Schubstangen 316, 318 und winkeleinstellung, d. h. Vergrößerung des kollektiven

320 bewegt werden können. 15 Anstellwinkels an dem einen Rotor und Verringerung

Ein außenliegendes Pitot-Rohr 338 bildet einen des kollektiven Anstellwinkels an dem anderen Rotor,

Teil eines ß-Fühlers 340. Der ß-Fühler 340 bildet verändert das aerodynamische Drehmoment an jedem

ein elektrisches Geschwindigkeitssignal für ein Rotor für eine Drehung des Hubschraubers um die

Rechenwerk 342. Dieses verarbeitet das Signal in Hochachse. Unterschiedliche, gemeinsame Blattan-

einer Art, welche anschließend beschrieben wird und »° Stellwinkeleinstellungen werden durch Bewegung der

treibt über einen Verstärker 344 einen Servomotor Fußhebel und des Drahtseiles 328 erreicht, welche

oder Stellmotor 346 mit Gewindespindel. Das eine Drehung des Rades 274 veranlassen und dem-

Rechenwerk 342 kann wahlweise durch einen Schal- nach die Schubstangen des oberen und unteren Rotors

ter 343 abgeschaltet werden, und der Pilot kann den gegensinnig betätigen. Es können natürlich andere

Servomotor oder Stellmotor 346 mit Hilfe eines 35 Anordnungen für die Seitensteuerung verwendet

Schalters341 betätigen. Der Stellmotor346ist seiner- werden, z.B. in der'USA.-Patentschrift 2 835 331

seits mit dem Drahtseil 334 durch einen Hebel 348 gezeigte Bremsen an den Rotorblattspitzen, oder ein

verbunden. Das Drahtseil 334 läuft über eine Scheibe kleiner Seitensteuerungsmotor, oder eine Ablenkungs-

der Doppelrolle 228, umgibt den Umfang des Rades düse, welche gegenüber der Hauptrotoranordnung

230, läuft zurück über die andere Scheibe der Dop- 30 versetzt angeordnet ist.

pelrolle 228 und ist in einer Schleife über die Rollen Eine nach vorwärts gerichtete periodische Anstell- 336 geführt. Durch eine Bewegung des Drahtseils 334 winkeleinstellung an beiden Rotoren wird durch Bedreht sich das Rad 230 und veranlaßt die Winkel- wegung der Steuersäule 200 ausgeübt. Durch die hebel 238 und 240 mit ihren Schubstangen 314 und Winkelhebel 250 und 252 wird hierbei eine Aus- 320, sich in entgegengesetzten Richtungen zu be- 35 gangsbewegung an den Steuerstangen 312 und 318 wegen. Demnach bewirkt ein Antrieb des Drahtseils erzeugt, welche die zugehörigen Taumelscheiben- 334 durch den Q-Fühler 340 oder durch Betätigung anordnungen nach.vorne neigen,
des Schalters 341, daß die Schubstangen 314 und 320 Ähnlich der gemeinsamen Blattanstellwinkelsteuesich gegensinnig bewegen. rung ruft eine Drehung des Rades 208 an jedem

Die Schubstangen 310, 312, 314, 316, 318 und 40 Rotor eine gleichsinnige seitliche periodische Anstell- 320, welche von dem Mischgestänge 500 nach Fig. 3 winkeleinstellung, z. B. eine solche entsprechend betrieben werden, sind in Fig. 2 in Verbindung mit einer Taumelscheibenneigung nach rechts, zur RoIlder Kardan- oder der Taumelscheibenanordnung 130 steuerung hervor. Das Rad 230 wird sich vor- oder und 150 gezeigt. Die Schubstange 314 ist über einen rückwärts drehen, um die Schubstangen 314 und 320 Winkelhebel 350, eine Stange 352, einen Winkel- 45 gleichzeitig zu bewegen und dadurch die beiden Tauhebel 354 und eine Stange 356 mit dem äußeren Kar- melscheibenanordnungen 130 und 150 nach der einen danring 155 der Taumelscheibenanordnung 150 ver- oder anderen Seite zu kippen. Eine unterschiedliche bunden. Die Schubstangen 312 und 310 sind durch seitliche Taumelscheibenneigung wird durch die Beähnliche Gestänge mit dem inneren Kardanring 153 tätigung des Drahtseils 334 und die Drehung des bzw. mit dem verschiebbaren Ring 152 verbunden. 50 Rades 230 erreicht, welches die Stangen 314 und 320 Die Stangen 310, 312 und 314 bestimmen die Ebene unterschiedlich bewegt und hierdurch die Taumeides Ringes 160 durch ein Schrägstellen der Kardan- Scheibenanordnungen 130 und 150 nach verschieringe 153 und 155 um die Kardanachsen 156 und denen Seiten kippt.

157 und durch eine axiale Verschiebung des Ringes Der Betrag der unterschiedlichen seitlichen Tau- 152 entlang des vertikalen Gehäuses 50. Da die Stan- 55 melscheibenneigung wird durch das Pitot-Rohr 338 gen 164 mit den Blatthebeln 166 verbunden sind, und das Rechenwerk 342 bestimmt, welches den steuern die Schubstangen 310, 312 und 314 die peri- Servomotor 346 und damit das Drahtseil 334 in Abodische und kollektive Blattanstellwinkeleinstellung hängigkeit von der Geschwindigkeit betätigt. Eine am unteren Rotor 26. In ähnlicher Weise steuern die unterschiedliche, seitliche Taumelscheibenneigung Schubstangen 316, 318 und 320 die Ebene des Rin- 60 kann nach dem Willen des Piloten auch über den ges 138 der Taumelscheibenanordnung 130. Das Ge- Schalter 341 gesteuert werden,
stange 358 der Schubstange 320 ist normalerweise Es ist bedeutsam, daß die Rotoren 24 und 26 mit dem Ring 135 in einem Winkel von 90° zu der wenigstens drei Blätter besitzen, um eine feste EinAchse 137 verbunden, das Gestänge 358 ist jedoch stellung des resultierenden Auftriebsvektors der beiaus Ubersichtlichkeitsgründen leicht außerhalb dieser 65 den Rotoren 24 und 26 mit Bezug auf die Drehachse Lage gezeichnet. Eine ins Einzelne gehende Beschrei- 28 zu erlauben. Wenn ein Rotor mit zwei Blättern bung der Steuerungsgestänge ist in der USA.-Patent- verwendet würde, so würden unzulässige Schwingunschrift 2 473 331 zu rinden. Ein Schrägstellen oder gen und Spannungsänderungen in dem Rotorkopf 22

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erzeugt werden, da sich der resultierende Rotorauf- und rücklauf enden Blätter ungefähr 89% des Auftriebsvektor während jeder Umdrehung zweimal zwi- triebsvermögens der vorlaufenden Blätter aufgehoben, sehen einer maximal versetzten Stellung und der Demgegenüber kann mit dem hier beschriebenen Drehachse 28 bewegen würde, weil dann, wenn der Rotor das ganze Auftriebsvermögen der vorlaufen-Rotor mit zwei Blättern sich in seiner zur Flugrich- 5 den Blätter ausgenützt werden. Dies ist in Fig. 6 tung parallelen Stellung befindet, der Auftriebsvektor gezeigt, in welcher der ganze Auftrieb von 544 kg der natürlich wieder zur Drehachse zurückkehren muß. vorlaufenden Blätter des Rotors 24 und des Rotors . Bei einer Anordnung mit drei Blättern werden die 26 an gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 28 Schwingungen weiter verringert, wenn die Blätter der erzeugt wird, wobei gegenseitig sich ausgleichende beiden Rotoren bei koaxialer Anordnung überein- io Rollmomente auftreten.

ander weglaufen. Hierdurch sind die Belastungen an Die Bedeutung des Vorteils des vergrößerten Aufverschiedenen Seiten des Rumpfes symmetrisch, und triebsvermögens der Rotoranordnung des beschriebealle Momente, welche durch diese Belastungen her- nen Hubschraubers gegenüber den üblichen Rotorvorgerufen werden, gleichen sich gegenseitig aus. anordnungen ist am besten aus F i g. 7 ersichtlich, in Schwingungen zwischen den beiden Rotoren werden 15 welcher die Kurve 420 für übliche Hubschrauber und dadurch in der Rotpranordnung selbst aufgehoben die Kurve 422 für den Hubschrauber gilt, welcher hier und werden nicht auf den Flugzeugrumpf übertragen. beschrieben ist. Bei einem üblichen Hubschrauber

Die Vorteile des beschriebenen Hubschraubers er- nimmt der Auftrieb rasch ab, wenn die Geschwindiggeben sich aus den Fig. 4 bis 7. In Fig. 4 ist eine keit über einen Punkt 424 hinaus zunimmt. Der Rotorscheibe400 gezeigt, welche durch die Drehung 20 Rotor kann dann z.B. das Hubschraubergewicht der Rotorblätter des Hubschraubers 10 um die Achse nicht mehr tragen. Dies ist der Grund dafür, daß 28 bestrichen wird. Der Hubschrauber 10 habe eine übliche Hubschrauber oft mit Flügeln versehen wer-Vorwärtsgeschwindigkeit von etwa 370 km/h oder den müssen, um bei hohen Geschwindigkeiten einen 200 Knoten, und es wird angenommen, daß die Rotor- ausreichenden Auftrieb zu erzeugen. Im Gegensatz blätter eine Geschwindigkeit von etwa 740 km/h oder 25 hierzu nimmt bei der hier beschriebenen Rotoranord-400 Knoten an ihrer Spitze haben. Die Rotorblätter nung der Auftrieb mit der Geschwindigkeit zu, so drehen sich in Pfeilrichtung, so daß das Blatt 402 daß bei allen Geschwindigkeiten unter und über das vorlaufende und Blatt 404 das rücklaufende Blatt 400 Knoten oder 740 km/h der Auftrieb das Hubist. Betrachtet man 1 m² der Auftriebsfläche an der schraubergewicht überwiegt, und dadurch Flügel Spitze 406 des vorlaufenden Blattes 402 und 1 m² der 30 auch für den Flug mit hoher Geschwindigkeit über-Auftriebsfläche an der Spitze 408 des rücklauf enden flüssig werden. Der Knickpunkt in der Kurve 422 Blattes 404, so zeigt Fig. 4 den großen Unterschied entsteht dadurch, daß die Rotorgeschwindigkeit über im Auftriebsvermögen zwischen dem vorlaufenden 200 Knoten oder 370 km/h verringert wird, um die und dem rücklaufenden Blatt. Da die Spitze 406 des Machzahl der vorlaufenden Blattspitzen unter 0,9 zu vorlaufenden Blattes 402 eine zusammengesetzte Ge- 35 halten. Dennoch nimmt der Auftrieb ungeachtet der schwindigkeit aus der Umlaufgeschwindigkeit der Abnahme der Blattspitzen-Geschwindigkeit weiterhin Blattspitzen und der Vorwärtsgeschwindigkeit des zu. Der Fachmann erkennt, daß durch das verHubschraubers hat, beträgt die relative Geschwindig- größerte Auftriebsvermögen viele Vorteile erreicht keit der Spitze 406 des vorlaufenden Blattes 402 etwa werden, z. B. unter anderem Flüge in großen Höhen, 1110 km/h oder 600 Knoten. Da die Spitze 408 des 40 vergrößerte Manövrierfähigkeit, vergrößerter Aktionsrücklaufenden Blattes 404 sich in entgegengesetzter radius und größere Reisegeschwindigkeit.
Richtung zur Bewegung des Hubschraubers 10 dreht, Wenn nun aber die resultierenden Auftriebsvektoist die relative Geschwindigkeit der Spitze 408 der ren430 und 432 (Fig. 6) während des Vorwärts-Unterschied zwischen der Blattspitzen-Geschwindig- flugs nicht genau gesteuert werden, so werden sie sich keit und der Hubschraubergeschwindigkeit oder etwa 45 zu den Spitzen der vorlaufenden Blätter hin verschie-370 km/h oder 200 Knoten. Dementsprechend bewegt ben, und der ungewünschte Angriffsverteilungswinkel sich die vorlaufende Blattspitze dreimal schneller als sowohl an den vorlaufenden als auch an den rückdie rücklaufende Blattspitze. Dieser Unterschied be- laufenden Blättern wird das Verhältnis zwischen züglich der relativen Geschwindigkeit zeigt sich noch Auftrieb und Strömungswiderstand (L/D) verringern, stärker im Auftrieb der vorlaufenden gegenüber den 5° Es ist demnach außerordentlich wichtig, die resulrücklaufenden Blättern, da der Auftrieb proportional tierenden Auftriebsvektoren der beiden Rotoren dem Quadrat der Geschwindigkeit der Auftriebsfläche wahlweise so einzustellen, daß sie immer in gleicher ist. Berechnungen zeigen demnach, daß die vor- Entfernung zu der Drehachse 28 angreifen und von laufende Blattspitze 406 z.B. 544kg Auftrieb erzeugt, gleicher Größe sind, um gegenseitig sich aufhebende während die rücklaufende Blattspitze 408 nur 60 kg 55 Rollmomente und um ein optimales Verhältnis von Auftrieb erzeugt. Dieser Unterschied im Auftriebs- Auftrieb zu Luftwiderstand, LID, für jeden Rotor zu vermögen entspricht einem Faktor von ungefähr 9. erzeugen. Es hat sich herausgestellt, daß für ein geWenn die Berechnungen anstatt für die Blattspitzen gebenes Vorwärtsverhältnis das optimale LID dann allein für das ganze vorlaufende und rücklaufende erreicht wird, wenn der resultierende Auftriebsvektor Blatt ausgeführt werden, kann gezeigt werden, daß 6° eine Seitenverschiebung von 17% des Rotorradius die vorlaufenden Blätter 402 einen zehnmal größeren aufweist, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hub-Auftrieb als die rücklauf enden Blätter 404 erzeugen. schraubers 150 Knoten beträgt, und wenn der seit-

Bei dem üblichen Verfahren wird durch die Be- liehe Versatz 40% beträgt, wenn die Vorwärts-

grenzung des Auftriebs der vorlaufenden Blätter auf geschwindigkeit des Hubschraubers 270 Knoten ist.

den Auftrieb der rücklauf enden Blätter entweder 65 F i g. 8 gibt die optimale, seitliche Versetzung des

durch Verwendung von Schlaggelenken 110 und 112 Rotorauftriebsvektors für jedes Vorwärtsverhältnis,

zwischen den Blättern und der Nabe (F i g. 5) durch also das Verhältnis der Hubschraubervorwärts-

Veränderung des Anstellwinkels der vorlaufenden geschwindigkeit zu der Geschwindigkeit der Blatt-

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spitzen, wieder. Die in Fig. 8 gezeigte Kurve ent- Blattwinkelverstellung erforderlich sein, um zu verspricht in dem Bereich 440 folgender Formel: hindern, daß der Auftriebsvektor sich zu schnell

D λπ u · c\ ^ ^- no nach links bewegt.

P = 47 μ, wobei 0 £ μ £ 0,8 . _{Der Betrag} ^ _{Versetzung der} Auftriebsvektoren

P ist hierbei die optimale, seitliche Versetzung des 5 ändert sich mit der Geschwindigkeit nach folgender

Rotorauftriebsvektors in Prozent vom Rotorschei- Formel:

benhalbmesser und μ ist das Vorwärtsverhältnis. ρ = 47 „ wobei 0 < μ < 0,8 und

Der Teil der Kurve aus Fig. 8, welcher mit 442 „ „_n ' ,_A„ _r„ ⁼ = ' .

bezeichnet wird, entspricht folgender Formel: ^P = 37,5 e (0,7 [0,8 - μ]), wobei μ > 0,8 .

P= 37,5e(0,7[0,8-^]);wobe^>0,8. ¹⁰ .^Df veränderliche GrößeP entspricht einer nor-

⁵ ν > L > tM/> F¹-- > mierten Stellung, so daß sie auf Rotoren beliebigen

Hierin sind wieder P die optimale, seitliche Ver- Durchmessers angewandt werden kann. Das Vorsetzung des Rotorauftriebsvektors in Prozent des wärtsverhältnis ergibt sich aus:
Rotorscheibenhaltmessers, μ das Vorwärtsverhältnis „
und e die Basis des natürlichen Logarithmus. 15 μ = .

Aus F i g. 8 geht hervor, daß die optimale, seitliche Ω R
Versetzung Null ist, wenn das Vorwärtsverhältnis Hierin sind:
Null ist, d. h. wenn der Hubschrauber sich im Zustand des Schwebefluges befindet, da keine Vorwärts- V = Geschwindigkeit des Hubschraubers,
geschwindigkeit vorliegt, die eine unsymmetrische 20 q = Drehzahl des Rotors und
Anströmung erzeugen würde. Die optimale Verset- _{R =} Halbmesser des Rotors,
zung des Auftnebsvektors nimmt dann mit dem Vorwärtsverhältnis zu, bis ein Maximum in der Nähe Das dimensionslose Vorwärtsverhältnis μ ist gültig eines Vorwärtsverhältnisses von 0,8 auftritt. Um ver- für Rotoren jeder Größe und stellt den Geschwindigsetzte Auftriebsvektoren in einer Entfernung von 25 keitsfaktor in der Formel dar.

40 oder 50% vom Rotormittelpunkt erzeugen zu Man erkennt, daß das dem Rechenwerk 342 zukönnen, dürfen die Rotorblätter keine Schlag- geführte Geschwindigkeitssignal durch das Rechenbewegung wie bei üblichen Hubschraubern ausfüh- werk in eine Anzahl Signale proportional zu der ren. Aus diesem Grund sind keine Blattgelenke oder seitlichen periodischen Blattanstellwinkeleinstellung biegsame Abstützteile im Blattanschluß vorhanden. 30 und nicht zu der Auftriebsvektorversetzung zerlegt Die Blätter, welche sehr starr und steif sind, können werden muß. Da der Betrag der erforderlichen seitdann große Versetzungen aufnehmen, welche für ein liehen periodischen Blattanstellwinkeleinstellung zur optimales L/D-Verhältnis erforderlich sind. Versetzung des Auftriebsvektors von der jeweiligen

Wegen der großen Zahl von Parametern, z. B. Rotorform abhängig ist, ändert sich die mathe-

Blattverdrehung, Blattverjüngung und Blattwurzel- 35 matische Arbeitsweise des Rechenwerks 342 mit der

belastung, erstreckt sich die in F i g. 8 dargestellte jeweiligen Rotoranordnung. Einzelne Hersteller

Kurve zwischen den Bändern 440a und 4406 bzw. können jedoch bestimmen, wie groß die erforder-

442 a und 4426. Die entsprechenden Formeln für liehe seitliche periodische Blattanstellwinkeleinstel-

diese Bänder sind wie folgt: lung für eine bestimmte Versetzung zu sein hat. Das

40 Rechenwerk kann hiernach programmiert werden.

P = 53 μ und P = 40 μ, wobei 0 <[ μ <Ξ 0,8; und Während des Fluges wird die seitliche periodische

P = 37,5 e (0,7 [0,8 — μ]) + 5 und Blattanstellwinkeleinstellung an jedem Rotor durch

P = 37,5 e (0,7 [0,8 — μ]) — 5, wobei μ > 0,8 . das geschwindigkeitsaufnehmende Pitot-Rohr 338

und das Rechenwerk 342 automatisch erreicht. Der

Da der Auftriebsvektor sich natürlich schnell nach 45 Pilot kann demnach den Hubschrauber ohne Berückaußen verschieben wird, wenn die Vorwärtsgeschwin- sichtigung von besonderen Steuerungen für ein optidigkeit zunimmt, ist es erforderlich, eine seitliche, males Verhältnis von L/D fliegen. Wenn der Pilot periodische Blattanstellwinkeleinstellung an jedem jedoch wünscht, das Rechenwerk zu umgehen oder Rotor auszuführen, um die Versetzung des Auftriebs- eine andere seitliche periodische Blattanstellwinkelvektors zu steuern. Da die Rotoren in entgegengesetz- 50 einstellung vorzunehmen, so kann er das Rechenten Richtungen umlaufen, erscheinen die vorlaufen- werk abschalten und den Servomotor 346 durch den den Blätter an gegenüberliegenden Seiten der Flug- Schalter 341 steuern.

zeuglängsachse. Die Auftriebsvektoren der jeweiligen Um hohe Strömungswiderstandskoeffizienten zuRotoren werden nach entgegengesetzten Seiten des sammen mit einer Machzahl über 0,9 an den Blatt-Hubschraubers auswandern, und demgemäß ist eine 55 spitzen zu verhindern, ist es erforderlich, die Blatt-Steuereinrichtung zur unterschiedlichen seitlichen Spitzengeschwindigkeit des Hubschraubers zu verperiodischen Blattanstellwinkeleinstellung erforder- ringern, wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit zulich. Wenn am oberen Rotor die vorlaufenden Blät- nimmt. Diese Verringerung wird so lange vorter z. B. auf der rechten Seite sind, so wird eine linke genommen werden, bis bei hoher Vorwärtsgeschwinseitliche periodische Blattwinkelverstellung erforder- 60 digkeit der Rotor vollständig still steht und der lieh sein, um zu verhindern, daß die Auftriebsvekto- Hubschrauber kann dann als Flugzeug mit festen ren sich zu schnell nach rechts bewegen. An dem Flügeln fliegen. Nachdem der Übergang zum Flug unteren, in entgegengesetzter Richtung umlaufenden mit festen Flügeln stetig ist, ist die Belastung wieder Rotor befinden sich die vorlaufenden Blätter an der symmetrisch und die Auftriebsvektorversetzung ist linken Seite, und deshalb wird eine rechte seitliche 65 dann Null.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 bei welcher die beiden Steuereinrichtungen, welche Patentansprüche: je eine, einem Rotor zugeordnete Taumelscheibe enthalten, zur periodischen gegensinnigen seitlichen

1. Einrichtung zur Steuerung eines Hub- Blattanstellwinkelsteuerung gleichzeitig über ein schraubers mit zwei gegenläufigen Auftriebs- 5 Drahtseil gegensinnig betätigbar sind, das an eine zur rotoren, die schwenkgelenk- und schlaggelenklos Steuerung der Vorwärtsgeschwindigkeit dienende an die Rotornabe angeschlossene Blätter aufwei- Steuersäule angeschlossen ist, derart, daß bei einer sen und deren vorlaufende Blätter an gegenüber- Neigung der Steuersäule zur Aufnahme größerer liegenden Seiten des Hubschraubers liegen, und Vorwärtsgeschwindigkeit auf Grund der periodisch mit je einer Steuervorrichtung zur periodischen io gegensinnigen seitlichen Blattanstellwinkelsteuerung gegensinnigen seitlichen Blattanstellwinkelsteue- an jedem Rotor der von diesem erzeugte Auftriebsrung an jedem einzelnen Rotor zum Verschieben vektor in der betreffenden Rotordrehachse bleibt. Die des Angriffspunktes des Auftriebsvektors an die- Querverschiebung der Rotorauftriebsvektoren an sem Rotor in Querachsenrichtung, dadurch jedem Rotor bis zu einer Lage in der Drehachse dient gekennzeichnet, daß beide Steuervorrich- 15 dem Zweck, die Blattbeanspruchungen und damit die tungen (314, 150; 320, 130) mittels eines geson- Blattdurchbiegungen klein zu halten und dadurch den derten, vom Piloten betätigten Antriebs (334, Abstand zwischen den zueinander koaxialen Einzel- 348, 346, 344, 341) oder mittels einer selbsttäti- rotoren möglichst gering ausführen zu können.

gen, auf die Fluggeschwindigkeit ansprechenden Eine aus der Veröffentlichung »Hubschrauber und Stellvorrichtung (338, 340, 342, 344, 346, 348, 20 Vertikalstartflugzeuge« von Just (Verlag Flugtech- 334) mit Bezug auf die beiden Rotoren gegen- nik Stuttgart 1963) bei Hubschraubern mit zwei Seisinnig so betätigbar sind, daß die Angriffspunkte tenrotoren bekannte mit Bezug auf die Längsrichtung der Auftriebsvektoren an dem einen und dem gegensinnige periodische Blattanstellwinkelsteuerung anderen Rotor unter Aufhebung der Roll- an den Seitenrotoren dient der Drehung um die momente gegenüber der Rotordrehachse gegen- 25 Hochachse.

sinnig versetzt in einem Bereich zwischen inneren Aus dem Buch »Aerodynamic Theory«, Berlin, und äußeren Grenzen einstellbar sind, von denen Springer-Verlag, 1935, S. 312 und 322, ist es bekannt, die äußere Grenze durch folgende Formeln be- die mit der Horizontalgeschwindigkeit des Hubstimmt ist: schraubers wachsenden Rollmomente auf Grund der _ . ' 30 größeren Relativgeschwindigkeit der vorlaufenden P - 53 μ, wobei 0 <, μ <; 0,8, Rotorblätter gegenüber der Umgebungsluft dadurch P= 37,5 e (0,7 [0,8 — μ]) + 5; wobei μ > 0,8 auszugleichen, daß entweder bei einem Einzelrotor und von denen die innere Grenze durch folgende ^eine periodische Blattwinkelverstellung derart vor-' Beziehungen bestimmt ist: genommen wird, daß der resultierende Auftriebsvek-

35 tor mit der Rotorachse im wesentlichen zusammen-

P = 40 μ, wobei 0 <; μ <: 0,8, fällt, oder daß bei zwei koaxialen Rotoren oder bei

P — 37,5 e (0,7 [0,8 — μ]) — 5; wobei μ > 0,8 Tandemrotoren der Rotordrehsinn gegensinnig gewählt wird. Dort dient diese Ausbildung lediglich da-

und worin _zu^ ^_{6 yon} ^_6n Einzelrotoren verursachten RoIl-

P = Versetzung des resultierenden Rotorauf- 40 momente selbsttätig auszugleichen.

triebsvektors in Prozent des Rotorradius, Diejenigen der hier kurz beschriebenen, bekannten

_ Vorwärtsverhältnis Hubschrauber, bei welchen Rollmomente dadurch

e = Basis des natürlichen Logarithmus. vermieden werden daß der Auftrieb an den,vorlau-

fenden Rotorblattern vermindert wird, haben den

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 45 Nachteil, daß der mit einer bestimmten Rotoranordkennzeichnet, daß die Lage der Auftriebsvekto- nung erzielbare Gesamtauftrieb im Vorwärtsflug geren nach folgenden Formeln einstellbar ist: ringer bleiben muß als der mit der Roforanordnung

ρ _ λπ „,λκ»; η <r -^ η 0 „r.ri bei Außerachtlassung der Rollmomente erzielbare,

_■" γαο~τ\κ· -^ o maximale Auftrieb.

P = 37,5 e (0,7 L0,8 - μ]); wobei μ > 0,8. _5o Hingegen ist denjenigen Hubschraubern, bei wel-

: chen man das an einem bezüglich des Rollmomentes

nicht korrigierten Einzelrotor entstehende Rollmoment dadurch ausgleicht, daß man ein entsprechend gleich großes, entgegengesetzt gerichtetes 55 Moment bereitstellt, der Nachteil gemeinsam, daß

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steue- die rücklaufenden Rotorblätter ungünstig belastet rung eines Hubschraubers mit zwei gegenläufigen sind und die vorlaufenden Rotorblätter eine schlechte Auftriebsrotoren, die schwenkgelek- und schlag- Machzahlwirkung zeigen, wodurch das Verhältnis gelenklos an die Rotornabe angeschlossene Blätter von Auftrieb zu Strömungswiderstand der betreffenaufweisen und deren vorlaufende Blätter an gegen- 60 den Rotoranordnung und damit der Wirkungsgrad überliegenden Seiten des Hubschraubers liegen und des Rotors verschlechtert wird,
mit je einer Steuervorrichtung zur periodischen, Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugegensinnigen, seitlichen Blattanstellwinkelsteuerung gründe, für einen Hubschrauber der eingangs bean jedem einzelnen Rotor zum Verschieben des An- schriebenen Art eine Einrichtung zur Steuerung angriffspunkts des Auftriebsvektors an diesem Rotor in 65 zugeben, mit welcher im Vorwärtsflug ein maximales Querachsenrichtung. Verhältnis von Auftrieb zu Strömungswiderstand für Aus der USA.-Patentschrift 2473 331 ist eine Ein- jeden Rotor bei gegenseitig sich aufhebenden Rollrichtung der vorstehend beschriebenen Art bekannt, momenten erzielt werden kann.