DE3010903A1

DE3010903A1 - Hubschrauber

Info

Publication number: DE3010903A1
Application number: DE19803010903
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Malcolm Byham; Ronald Vincent Smith
Original assignee: Westland Aircraft Ltd
Current assignee: Westland Group PLC
Priority date: 1979-03-23
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1980-10-09
Also published as: FR2451859B1; US4347997A; FR2451859A1; IT1144092B; DE3010903C2; IT8048236A0; JPS55127299A

Description

PATENTANWÄLTE 3 O 1 O S O

Dipl.-Ing. A. Wasmeier ^ ^l . Dipl.-Ing. H. Graf

Zugolnason boim Europäischen Patentamt · Professional Representatives before the European Patent Office Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg 1

An das D-8400 REGENSBURG

Deutsche Patentamt greflinger strasse 7

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8. München 2 Telegramm Begpatent Rgb.

Telex 6 5709 repatd

Ihr Zeichen Ihre Nachricht Unser Zeichen Tag 20. MäTZ 1980 W

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Anmelder: WESTLAJH) AIRCEAJ¹T LIMITED, Yeovil/Somerset, England

Titel: "Hubschrauber"

Priorität: Großbritannien Mr. 7910395 vom 23. März 1979

Erfinder: Geoffrey Malcolm Byham und Ronald Vincent Smith

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Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 200 73) 5 839 300 Gerichtsstand Reqensburq

Postscheck München 893 69-801

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"Hubschrauber"

Die Erfindung bezieht sich auf Hubschrauber.

Hohe Vorwärtsgeschwindigkeiten, wie sie bei modernen Hubschraubern erzielbar sind, haben eine entsprechende Vergrößerung der erforderlichen Bremsstrecken bzw. Halteabstände ergeben, insbesondere in bezug auf geradliniges Anhalten aus einem Waagrechtflug mit hoher Geschwindigkeit.

Der Vorgang bei einem solchen Manöver verläuft so, daß der Pilot die Leistung drosselt und die zyklische Steuerung so betätigt, daß der Hubschrauber in eine Hochziehstellung gedreht wird. Die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers erzeugt einen entgegengesetzten Luftstrom durch den Rotor bzw. die Rotoren des Tragrotorsystems, der die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu erhöhen versucht, und dies wird üblicherweise durch ein Rotordrehzahl-Regelsystem gesteuert, das automatisch eine Verringerung der Motorabgabeleistung an den Rotor bewirkt, um eine konstante Rotordrehzahl aufrechtzuerhalten. Wenn die Hochziehstellung weiter vergrößert wird, nimmst die Motorausgangsleistung weiter ab, bis schließlich die Motorleistung, die in das Rotorsystem eingeführt wird, sich dem Wert Mull nähert. Dadurch wird eine Grenze für die erzielbare Hochziehstellung erreicht, da eine weitere Zunahme den umgekehrten Luftstrom vergrößern würde, der eine Zunahme der Rotordrehzahl über einen zulässigen Wert hinaus ergeben würde.

Somit wird eine geradlinige Verzögerung des Hubschraubers aus einem Vorwärtsflug mit hoher Geschwindigkeit durch die Hochziehstellung begrenzt, in die der Hubschrauber gedreht werden kann. Im Falle eines Hubschraubers mit einem einzigen Haupttragrot-or und einem Gegenmoment-Hilfsrotor, z.B. einem Schwanzrotor, tritt die Begrenzung der Hochziehstellung auf, wenn der Hauptrotor aufgrund einer "Autorotation" des Rotors durch den umgekehrten Luftstrom zum Überdrehen neigt. Hohe Hochziehstellungen können nur bei geringen Vorwärtsgeschwindigkeiten erzielt werden und verringer eine Gesamtbremsstrecke nicht wesentlich. Bei hohen Vorwärts-

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geschwindigkeiten kann der parasitäre. Widerstand des Rumpfes eine entsprechende Anfangsverzögerung zulassen, dieser wird jedoa immer weniger wirksam, wenn der Hubschrauber sich langsamer beweg'

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses Problem zu beheben.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Hubschrauber mit einem Haupttragrotorsystem eine Eraftverbrauchsvorrichtung bzw. Leistungsabsorptionsvorrichtung vorgesehen ist, die selektiv Energie von dem Haupttragrotorsystem während der Verzögerung absorbiert.

Die KraftverbrauchsMorrichtung besteht beispielsweise aus einem Paar von Hilfsrotoren. Der Hubschrauber weist insbesondere ein Steuersystem auf, das so ausgelegt ist, daß während des normalen Betriebes die Steigungsverstellung eines jeden Paares von Hilfsrotoren eingestellt wird, um Schubkräfte in der gleichen Richtung zu erhalten, und daß während der Verzögerung die Steigungsverstellung eines jeden Paares von Hilfsrotoren so eingestellt wird, daß Schubkräfte in etwa entgegengesetzten Richtungen erhalten werden.

Obgleich vorliegende Erfindung auf Hubschrauber anderer Ausgestalt z.B. solche mit zwei oder mehr Rotoren aufweisenden Haupttragrotorsystemen, z.B. landemsysteme und koaxiale Rotor systeme, anwendbar ist, ist sie besonders vorteilhaft für Hubschrauber mit einem einzigen Haupttragrotor und einem Gegenmoment-Hilfsrotor, z.B. einem Schwanzrotor. Wird die Erfindung bei einem Hubschrauber dieser Ausgestaltung angewendet, können zwei Hilfsrotoren in der Fähe des Endes eines sich nach hinten erstreckenden Schwanzkonus angeordnet sein. Zweckmäßigerweise werden die Hilfsrotoren seitlich jeweils auf einer Seite des Schwanzkonus aufgenommen und sind so ausgelegt, daß die Schubkräfte Seitenschubkräfte in einer Gierrichtung darstellen, so daß sie als ein Gegenmoment-Schwanzrotor während des normalen Betriebes arbeiten. Die Richtung der entgegengesetzten Schubkräfte kann gewöhnlich von jedem Hilfsrotor aus nach innen verlaufen.

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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der Hubschrauber einen Differentialsteigungsverstellmechanismus auf, der automatisch beim Einsetzen des Nullmomentes auf den einzigen Haupttragrotor durch elektrische Signale aus einem Rotordrehzahlregler und einem Gierkurs-Steuermechanismus zur Einstellung der Steigungsverstellung der Hilfsrotoren in unterschiedlicher Weise betätigt wird, damit eine nutzbare seitliche Schubkraft in einer gewünschten Gierrichtung erzielt wird, um den Hubschrauber auf einem gewünschten Kurs zu halten.

Der Gierkurs-Steuermechanismus kann durch Seitensteuerpedale gesteuert werden, die eine Transmission aufweisen, um den Gierbedarf in Abhängigkeit von der tatsächlichen kollektiven Steigungsverstellung der Schwanzrotoren zu verändern; die Transmission wird dabei automatisch durch ein elektrisches Signal in Phase gebracht, das von dem Gierkurs-Steuermechanismus in Abhängigkeit von einem Bezugssignal aus dem Differentialsteigungsverstellmechanismus erzeugt wird.

Vorzugsweise ist eine von Hand betätigbare Sperrvorrichtung vorgesehen, mit deren Hilfe der Differentialsteigungsverstellmechanismus so isoliert werden kann, daß eine differentielle Steigung, die während bestimmter Betriebsphasen eingeführt wird, verhindert wird.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Hubschrauber mit einem Rumpf vorgeschlagen, der einen sich nach hinten erstreckenden Schwanzkonus, einen über dem Rumpf angeordneten und um eine etwa vertikale Achse drehbaren Hapttragrotor, eine Schwanzrotoranordnung, die in der Nähe eines hinteren Endes des Schwanzkonus angeordnet ist und zwei Schwanzrotoren aufweist, von denen jeweils einer auf jeder Seite des Schwanzkonus abgestützt ist, und ein Steuersystem aufweist, das so ausgelegt ist, daß es während der Verzögerung des Hubschraubers die Steigungsverstellung beider Schwanzrotoren so einstellt, daß die Schwanzrotoren entsprechend seitliche Schubkräfte in etwa entgegengesetzten Richtungen erzeugen.

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Vorzugsweise weist das Steuersystem einen Differentialsteigungsverstellmeclianismus auf, der so ausgelegt ist, daß die Steigungsverstellung der "beiden Schwanzrotoren differentiell gesteuert
werden kann, damit unterschiedliche seitliche Schubkräfte in etws entgegengesetzten Richtungen erzeugt werden, die einen veränderlichen, nutzbaren Seitenschub in einer gewünschten seitlichen
Richtung ergeben.

Während der Verzögerung arbeitet ein Hubschrauber mit einem einzi gen Haupttragrotor in einem Autorotationszustand, bei welchem dei Rotor von einem entgegengesetzten luftstrom durch die Hauptrotorscheibe in Drehung versetzt wird. Die Autorotation wird natürlich auch beim Hubschrauberbetrieb verwendet, um ein sicheres landen des Hubschraubers zu gewährleisten, wenn ein Antriebsfehler auftritt¹; der Autorotationszust-and ist jedoch auch während des Verzögerungsbetriebes gegeben, auf den sich vorliegende Erfindung
insbesondere bezieht.

Beim Studium des Problems der Verbesserung der Verzögerungseigenschaften eines mit hoher Geschwindigkeit fliegenden Hubschraubers mit einem einzigen Haupttragrotor wurde erkannt, daß es erforderlich wäre, die erreichbare Hochziehstellung zu vergrößern, ohne die Rotordrehgeschwindigkeit entsprechend zu vergrößern. Bei diesem Autorotationszustand wird die Leistung zur Aufrechterhaltung der Drehung des Hauptrotors von einem entgegengesetzten Luftstrom durch die Rotorscheibe aufgebracht, und es wird ein Zusatzgetrieb normalerweise vondem Hauptrotor angetrieben, um die Steuerung des Hubschraubers aufrechtzuerhalten. Dabei wurde festgestellt, daß
dann, wenn der Hauptrotor so ausgelegt werden könnte, daß er in
diesem Zustand eine höhere Leistung ergibt, mehr Kraft von dem
Hauptrotor absorbi-ert könnte, bevor die Rotorüberdrehzahl auftrit· und daß ein höherer entgegengesetzter Luftstrom toleriert werden könnte, wodurch die erreichbare Hochziehstellung und infolgedessen die Beschleunigungskraft, die von dem Hauptrotor aufgegeben wird, erhöht werden könnte.

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Beim Normalflug erzeugt ein Drehmoment, das über eine Antriebsquelle einem Hauptrotor eines Hubschraubers aufgegeben wird, ein Schwenkmoment, das versucht, einen Sumpf um die Hauptrotordrehachse zu drehen, und dem wird durch eine seitliche Schubkraft aus einem Schwanzrotor entgegengewirkt.

Im Autorotationszustand wird der Hauptrctor von einem umgekehrten Luftstrom angetrieben und ergibt seinerseits die Kraft zum Antrieb des Zusatzgetriebes. Dies ergibt ein verhältnismäßig kleines Schwenkmoment auf den Rumpf, welchem durch einen kleinen Restseitenschub aus dem Schwanzrotor entgegengewirkt wird.

Da der Verzögerungsvorgang den Hubschrauber in einen Autorotationszustand bringt, wird der Schwanzrotor normalerweise während dieses Manövers in Segelstellung gebracht (feathered), so daß nur der geringe Restseitenschub erhalten wird, der erforderlich ist, um die von dem Hauptrotor erzeugte Drehmomentreaktion zu kompensieren.

Die Anmelderin hatte im Zuge der Entwicklung vorliegender Erfindung auch verschiedene Schwanzrotorausgestaltungen mit dem Ziel zu prüfen, die normale Giersteuerung eines Hubschraubers zu verbessern und eine fortgesetzte Steuerung im Falle eines Schwanzrotorausfalls zu erzielen; hierbei spielte die Betrachtung einer Doppelschwanzrotorausgestaltung eine Rolle, die aus zwei Schwanzrotoren besteht, welche auf Leitflächen oder Auslegern seitlich vom Schwanzkonus befestigt waren. Dabei wurde die Möglichkeit berücksichtigt, das Konzept des Doppelschwanzrotors als Mittel zum Absorbieren von Kraft aus dem Hauptrotor während des beim Verzögerungsvorgang auftretenden Autorotationszustandes auszunutzen, indem argumentiert wurde, daß dann, wenn die beiden Doppelschwanzrotoren so ausgelegt werden könnten, daß sie einen hohen Schub in entgegengesetzten Richtungen ergeben, während der gewünschte kleine nutzbare Seitenschub beibehalten wurde, dadurch eine wesentliche zusätzliche Kraft aus dem Hauptrotor entnommen werden könnte und so eine höhere Hochziehstellung vor dem Auftreten der Rotorüberdrehzahl erzielt werden könnte.

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Eatspreeilende Berechnungen zeigten, daß für einen bestimmten Hubschrauber mit einem einzigen Haupttragrotor die Verwendung eines Doppelschwanzrotors, der einen entgegengesetzten Schub ergibt, den Halteabstand dieses Hubschraubers bis zu einem Drittel "verringert. Dies stellt einen entscheidenden Fortschritt für die Erzielung der gewünschten Bremsstrecke dar und ist eine außerordentlich günstige Lösung, da sie in einem einzigen Mechanismus kombiniert werden kann, der weitere Vorteile ergibt, z.B. die verbesserte Giersteuerung und die Beherrschung des Schwanzrotorausfalls der Doppelschwanzrotorausgestaltung.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Hubschraubers nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht des Hubschraubers nach Fig. 1 in Richtung des Pfeiles A,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht der Schwanzrotoranordnung des Hubschraubers nach den Figuren 1 und 2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 eine Darstellung eines Steuersystems nach der Erfindung zui Steuerung der Schwanzrotoranordnung, und

Fig. 5-7 graphische Darstellungen, die auf berechneten Werten verschiedener Parameter basieren, welche einen Vergleich zwi sehen einem Hubschrauber mit und ohne die erfindungsgemä.E Einrichtung ergeben.

Nach den Figuren 1-3 weist ein Hubschrauber einen Rumpf 10 mit einem sich nach rückwärts erstreckenden Schwanzkonus 11 auf. Ein einziger Haupttragrotor 17 ist über dem Rumpf 10 befestigt, und eine Schwanzrotoranordnung, die mit 12 bezeichnet ist, int in der Nähe eines hinteren Endes des Schwanzkonus 11 vorgesehen. Die

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Schwanzrotoranordnung 12 besteht aus zwei Schwanzrotoren 13, die an den Enden von seitlich verlaufenden Leitflächen 14 angeordnet sind; bei der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Leitflächen 14 vom Schwanzkonus 11 in einem Winkel von etwa 20° nach oben und außen. Jeder Schwanzrotor 13 ist in einer Ebene senkrecht zu seiner entsprechenden Leitfläche 14 drehbar befestigt.

Ein oder mehrere Motoren und ein Ge triebe syst em (nicht dargestellt) sind zum Antrieb des Haupttragrotors Y] und der beiden Schwanzrotoren 13 über entsprechende Antriebswellen und Vorgelege vorgesehen

Die Blätter eines jeden Schwanzrotors 13 sind kollektiv in der Steigung einstellbar und ergeben einen seitlichen Schub in einer der beiden Richtungen senkrecht zu ihrer Rotationsebene; der Hubschrauber besitzt ein Steuersystem zur Verstellung der Steigung eines jeden individuellen Schwanzrotors 13, damit entweder seitliche Schubkräfte in gleicher Richtung oder sich ändernde Werte für seitliche Schubkräfte in entgegengesetzten Richtungen erzielt werden.

Ein Steuersystem zur Steuerung einer gleichförmigen Verstellung der Schwanzrotoren I3, d.h. während eines Normalfluges, bei welchem die Schwanzrotoren I3 in herkömmlicher Weise zu-r Erzielung einer Giersteuerung verwendet werden, ist nicht selbst Gegenstand vorliegender Erfindung und wird deshalb nachstehend nicht im einzelnen erläutert. Es werden jedoch bestimmte Merkmale des Steuersystems nachstehend in Verbindung mit vorliegender Erfindung beschrieben, soweit sie funktionell Einfluß auf die herkömmlichen Steuervorgänge haben. Eine derartige Einrichtung weist einen Rotordrehzahlregler, einen GierkursSteuermechanismus und Seitensteuerpedale auf.

Nach Pig. 4 sind ein oder mehrere Motoren 15 so angeordnet und ausgelegt, daß sie das gewünschte Drehmoment über Antriebswellen und eine Transmission 16 zum Antrieb des Hauptrotors 17, und über weitere Wellen und Transmission 18 und einen, Schwanzrotor-Differentialsteigungsverstellmechanismus 19 zum Antrieb der

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Schwanzrotoranordnung 12 einführen.

Elektrische Signale 25, die ein Maß für das tatsächliche Drehmoment darstellen, das dem Hauptrotor 17 aufgegeben wird, werden an einen Rotordrehzahlregler 20 und an ein Fehleranzeigesystem übertragen, und ein Signal 26, das von dem Rotordrehzahlregler erzeugt wird und das einen Drehmomentbedarf darstellt, wird auf den Motor 15 übertragen. Der Rotordrehzahlregler 20 und das Fehleranzeigesystem 21 nehmen ferner Signale 27 auf, die der Drehgeschwindigkeit des Hauptmotors 17 entsprechen.

Während einer bestimmten Betriebsphase, die nachstehend beschrieben wird, erzeugt der Rotordrehzahlregler 20 ein Bedarfssignal 28, das auf den Schwanzrotordifferentialsteigungsverstelmechanismus übertragen wird, welcher die Steigungsverstellung der beiden Schwan rotoren 13 einstellt, damit seitliche Schubkräfte in entgegengesetz ten Richtungen erzielt werden. Signale 29, die der aufgegebenen Steigungsverstellung entsprechen, werden von dem Mechanismus 19 auf den Rotordrehzahlregler 20, das Pehleranzeigesystem 21 und auf einen Gierkurssteuermechanismus 22 übertragen.

Der Gierkurssteuermechanismus 22 nimmt Gierbedarfssignale 30 aus Seitensteuerpedalen 23 auf und erzeugt ein Signal 31, das auf der aufgegebenen Steigungsverstellung der Schwanzrotoranordnung 12 basiert, damit eine den Seitenst^uerpedalen 23 zugeordnete Transmission in geeigneter Weise .eingestellt wird. Ein Signal 32, das einer Gierrate und Beschleunigung entspricht, wird durch das Gierkurssteuersystem 22 erzeugt und wird auf das Fehleranzeigesystem 21 und den Differentialsteigungsverstellmechanismus 19 übertragen.

Eine von Hand betätigbare Sperrvorrichtung 24 ist elektrisch mit dem Schwanzrotordifferentialsteigungsverstellmechanismus 19 verbunden, dessen Zweck nachstehend erläutert wird.

Wenn es erforderlich ist, den beschriebenen Hubschrauber so rasch wie möglich aus seinem Vorwärtsflug mit hoher Geschwindigkeit

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anzuhalten, drosselt der Pilot die Antriebskraft, die von dem Motor 15 zugeführt wird, und betätigt eine zyklische Steigungssteuerung für den Hauptrotor, um den Hubschrauber in eine Hochziehstellung zu drehen, Damit wird die Drehgeschwindigkeit des Hauptrotors 17 aufgrund des umgekehrten Iaftstromes durch die Rotorscheibe erhöht, und dies wird von dem Rotordrehzahlregier festgestellt, der in der Weise wirkt, daß er die Leistungsabgabe des Motors 15 weiter verringert, bis das dem Hauptrotor 17 zugeführte Drehmoment sich dem Wert Null nähert. Diese Phase des Verzögerungsvorganges ist herkömmlich; wie weiter oben erläutert, begrenzt bei Hubschraubern mit einem einzelnen Tragrotor und Gegenmomentrotoren und einem herkömmlichen Steuersystem die Position, an der das Nulldrehmoment dem Hauptrotor 17 aus dem Motor 15 auf- gegeben wird, die erreichbare Hochziehstellung und damit die Verzögerungskraft, die dem Hubschrauber aufgegeben werden kann. Dies wiederum bestimmt den erforderlichen Halteabstand des jeweiligen Hubschraubers aus dem Vorwärtsflug mit hoher Geschwindigkeit.

Der Hubschrauber befindet sich nunmehr in einem Autorotationszustand, bei welchem der Hauptrotor von einem umgekehrten Luftstrom durch die Rotorscheibe aufgrund der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers angetrieben wird, und die Schwanzrotoranordnung 12 wird von dem Hauptrotor 17 angetrieben.

Bei dem der Erfindung zugrunde liegenden Hubschrauber wird der Einsatz des Nullmomentes zum Hauptrotor 17 von dem Rotordrehzahlregler 20 festgestellt, der ein elektrisches Signal 28 erzeugt. Dieses Signal wird auf den Schwanzrotordifferentialsteigungsverstellmechanismus 19 übertragen, der die kollektive Steigungsverstelung der individuellen Schwanzrotoren 15 einstellt, damit seitliche Schubkräfte in entgegengesetzten Richtungen von den Schwanzrotoren 15 etwa nach innen gerichtet erzielt werden. Das Gierbedarfssignal 52 wird in den Mechanismus 19 eingeführt und ergibt, daß eine gewünschte Differenz den entsprechenden Steigungsverstellungeri der Schwanzrotoren I3 aufgegeben wird, so daß ein kleiner nutzbarer seitlicher Schub in einer gewünschten Gierrichtung aufrechterhalten wird, um die vorerwähnte Hauptrotordrehmomentreaktion zu

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kompensieren und um den Hubschrauber auf einem gewünschten Kurs zu halten. Die Anordnung nach vorliegender Erfindung, die ermöglicht, daß dieser kleine nutzbare seitliche Schub mit einer verhältnismäßig hohen kollektiven Steigungswinkelverstellung eines jeden der individuellen Schwanzrotoren IJ ermöglicht wird, bedeutet, daß die Schwanzrotoranordnung 12 erhebliche Leistung von dem Hauptrotor 17 absorbiert, während der Hubschrauber den Autorotationszustand während des Yerzögerungsvorganges einnimmt.

Dies wiederum führt dazu, daß die Drehgeschwindigkeit des Hauptrotors verringert wird, die durch eine Erhöhung der Hochziehstellung auf einem gewünschten Wert gehalten wird, wodurch der umgekehrte Luftdurchfluß durch die Rotorscheibe vergrößert wird.

Die Steigungsverstellung der Schwanzrotoren I3 wird fortlaufend differentiell auf ein vorgewähltes Maximum erhöht, bei welchem die Schwanzrotoranordnung 12 hohe Leistung aus dem Hauptrotor absorbiert, während die erforderliche Giersteuerung aufrechterhalten wird, so daß die maximal erzielbare Hochziehstellung des Hubschraubers und damit die maxi-male Yerzögerungskraft aufgebaut wird.

Um das Manöver bei abnehmender Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers zu beenden, drosselt der Pilot die zyklische Steigungs verstellung des Hauptrotors, um die Hochziehstellung zu begrenzen Die Tendenz, daß die Drehgeschwindigkeit des Hauptrotors 17 abnimmt, wird durch den Rotordrehzahlregler 20 festgestellt, der automatisch das Signal 28 auf den Schwanzrotordifferentialsteigungsverstellmechanismus 19 einstellt, um die Steigungsverstellun der Schwanzrotoren I3 zu verringern. Gleichzeitig wird ein Signal 29, das dem an die Schwanzrotoren I3 aufgegebenen tatsächlichen

Drehmoment entspricht, auf den Rotordrehzahlregler 20 übertragen wenn dieses Signal sich auf Null reduziert, überträgt der Regler 20 ein Bedarfssignal 26 an den Motor 15, um das Drehmoment zum Hauptrotor 17 zu erhöhen und damit die Drehgeschwindigkeit des Hauptrotors 17 auf dem Wert zu halten, der erforderlich ist, damit sichergestellt ist, daß der Hubschrauber weiterhin von Luft

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getragen wird und in einem Schwebezustand am Ende der Verzögerungsphase, d.h. in einem Normalflugbetrieb, steuerbar ist.

Der Gierkurssteuermechanismus 22 stellt sicher, daß der Hubschrauber während des Verzögerungsbetriebes steuerbar und lenkbar bleibt. Es ist bekannt, daß dann, wenn ein Schwanzrotor sich seinem maximalen Schub nähert, Zunahmen der Steigung weniger effektiv bei der Erzeugung eines Schubes für die Giersteuerung sind. Bei dieser Anordnung nach vorliegender Erfindung, bei der die beiden Schwanzrotoren 13 während der Verzögerung zur Erzielung eines seitlichen Schubes in entgegengesetzten Sichtungen verwendet werden, wenn man sich der maximalen Steigungsgrenze nähert, wird eine Giersteuerung dadurch erzielt, daß einer der Schwanzrotoren 13 aus dem überzogenen Zustand (stalled condition) herausbewegt wird, damit ein nutzbarer seitlicher Schub zur Steuerung des Hubschraubers in Gierung erzielt wird, d.h., daß dann, wenn den Schwanzrotoren I3 volle Steigung aufgegeben wird, Gieranforderungen, die über das Signal 32 aufgegeben werden, nur jeweils auf einen der Schwanzrotoren I3 gleichzeitig wirken. Der Mechanismus

22 weist eine logische Schaltung auf, die bestimmt, welcher der beiden Rotoren I3 abhängig von dem Gierbedarf, der durch den Piloten an den Seitensteuerpedalen 23 eingeleitet wird, verstellt wird.

Aufgrund des verringerten Schubgradienten, der dem maximalen Schub der Schwanzrotoren I3 nahekommt, ist den Seitensteuerpedalen

23 eine Transmission zugeordnet, um die tatsächliche Steigungsverstellung der beiden Schwanzrotaen I3 automatisch zu kompensieren. Die Transmission hat ein Verhältnis von mindestens von 4:1 und wird automatisch durch das Signal 3I ^von· äem Gierkurssteuermechanis mus 22 in Phase gebracht, der seinerseits d-.urch ein Bezugssignal aus dem Schwanzrotor-differentialsteigungsverstellmechanismus 19 eingeleitet wird.

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Bei Normalflug kann der Ausfall eines der beiden. Schwanzrotoren 13 aufgrund der hohen Schubleistung der individuellen Schwanzrotoren 13 in Kauf genommen werden. Wenn ein solcher Ausfall jedoch während des Verzögerungsbetriebes auftritt, kann ein hoher Giereingang auftreten, der von einer Tendenz des Hauptrotors 17 zur Überdrehzahl begleitet ist. In einem solchen Fall arbeitet das Fehleranzeigesystem 21 so, daß eine Abhilfewirkung eingeleit wird, um die Sicherheit des Hubschraubers zu gewährleisten. Das System 21 überwacht das Motordrehmoment und die Drehzahl des Hau rotors und nimmt Eingangssignale 32 und 29 auf, die die Gierrate und die Beschleunigung sowie eine tatsächliche Steigungsverstellung der Schwanzrotoranordnung 12 darstellen.

Die von Hand betätigbare Sperrvorrichtung 24 dient dazu, den Schwanzrotordifferentialsteigungsverstellmechanismus 19 über das Signal 33 zu isolieren, und wird während des normalen Autorotati ons -Niederganges verwendet, das heißt, im Falle eines voll ständigen Leistungsausfalles, um zu verhindern, daß entgegengesetzte Schubkräfte den Schwanzrotoren I3 aufgrund der Verringerung des dem Hauptrotor 17 zugeführten Drehmomentes bis auf Mull aufgegeben werden. Dies ist ein notwendiger Sicherheitsfaktor, da bei einem Autorotations-Niedergang die gesamte zur Verfügung stehende Kraft, die durch umgekehrten Luftstrom erzeugt wird, de: den Hauptrotor beim Niedergehen des Hubschraubers in Drehung versetzt, die Sinkgeschwindigkeit steuern und sicherstellen muß, daJ die Trägheit im Rotor 17 ausreichend groß ist, um das Sinken des Hubschraubers aufzuhalten, wenn er sich der Landeflache nähert, um eine"''einwandfreie Landung sicherzustellen.

Die Einflüsse der automatischen Kraftabsorption der Zwillingsschwanzrotoranordnung 12 nach der Erfindung sind in den Figuren 5 bis 7 dargestellt, die sich aus Berechnungen auf der Grundlage eines einen einzigen Hauptrotor aufweisenden Hubschraubers von etwa 12 t Gesamtgewicht unter der Annahme ergeben, daß die absorbierte Kraft (P ,) durch die beiden Schwanzrotoren I3 konstant

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etwa 1.000 PS beträgt. Jede der graphischen Darstellungen zeigt zwei Kurven auf der Basis eines ähnlichen Hubschraubers, und zwai

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eine Bezugskurve A, die Ergebnisse auf der Basis des Hubschraubers mit einem herkömmlichen einzigen Schwanzrotor und einem Steuersystem darstellt, und eine Kurve B, die Resultate auf der Basis eines Hubschraubers gemäß der Ausführungsform nach der Erfindung darstell

In Fig. 5 ist die erreichbare Autorotationsstellung (üQ gegen die Vorwärts-Horizontalfluggeschwindigkeit aufgetragen. Die erzielbare Stellung nimmt rasch bei Geschwindigkeiten unterhalb etwa 120 Fuß/ see zu,und dies ist dadurch bedingt, daß die RotorZuflußkomponente nicht in der Lage ist, die Leistungsverluste des Rotors zu überwinden, während der Hubschrauber im Waagerechtflug gehalten wird. Die wesentliche Eigenschaft in bezug auf vorliegende Erfindung ist die erhebliche Zunahme der oberhalb dieser Geschwindigkeit erzielbaren Autorotationsstellungen.

In Fig. 6 ist die Verzögerung (g) in Abhängigkeit von der Vorwärtsgeschwindigkeit aufgetragen und enthält einen Ausdruck für den para sitären Widerstand des Rumpfes. Auch hier ist die entscheidende Eigenschaft die Zunahme der Verzögerung (angezeigt durch die Kurve B), die mit dem Hubschrauber nach der Erfindung erzielbar ist.

]?ig. 7 zeigt die Halteabstände für die beiden hier in Betracht gezogenen Hubschrauber,und wird aus Fig. 6 abgeleitet. Ein Halteabstand (in Fuß) ist gegen die Vorwärtsgeschwindigkeit aufgetragen, und es wird angenommen, daß dann, wenn der Hubschrauber sich mit der Nase nach oben gedreht hat, so daß die Stellung der Rotor- . scheibe JO⁰ erreicht, Leistung zum Rotor wieder aufgenommen wird, um diese Stellung aufrechzuerhalten. Bei geringer Vorwärtsfluggeschwindigkeit hat der Einbau der erfindungsgemäßen Anordnung in den Hubschrauber nur einen geringen Einfluß auf den gesamten Halteabstand, und dies ist dadurch bedingt, daß höhere Hochziehstellungen zweckmäßigerweise bei niedrigen Vorwärtsgeschwindigkeiten erzielbar sind. Wenn jedoch der Fall einer hohen Vorwärtsgeschwindigkeit von 250 Fuß/sec betrachtet wird, ergibt sich daraus, daß der Hubschrauber ohne die erfindungsgemäße Anordnung (Kurve A) einen Halteabstand von etwa 4.020 Fuß benötigt, während der Hubschrauber

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nach, der Erfindung ( .Kurve B) einen Halteabstand von etwa 2.6E Juß benötigt, d.h. eine Verringerung des Halteabstandes von et 33 %. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß Leistung von dem Hauptrotor 17 während des Verzögerungsvorganges absorbiert wird. Die Verwendung eines Zwillingsschwanzrotors a Leistungsabsorptionsvorrichtung ergibt die zusätzlichen Vortex eines verbesserten Gieransprechens während des Normalfluges un einer verbesserten Chance, die Flugei genschaft -fen beizubehalte wenn ein Schwanzrotor ausfällt.

Während die Erfindung insbesondere in Verbindung mit einem Hub schrauber mit einem einzigen Haupttragrotor und einem Gegenmom Schwanzrotor beschrieben worden ist, kann der Einbau einer sei betätigbaren Leistungsabsorptionsvorrichtung zur Leistungsabso tion aus einem . Tragrotorsystem nach der Erfindung auch den Ha abstand anderer Ausgestaltungen von Hubschraubern verringern, Hubschraubern mit Zwillingsrotoren oder koaxialen Trag-rotoren dem eine höhere Hochziehstellung während der Verzögerung erzieh werden kann. Da Gegenmomentrotoren normalerweise bei solchen Ai gestaltungen nicht erforderlich sind, können ein oder mehrere Paare von Rotoren, die eine Leistungsabsorptionsvorrichtung da: stellen, bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung a.'. Hilfsrotoren verwendet und so ausgelegt werden, daß sie andere !Punktionen ergeben, z.B. Hub, Steuerung oder Antrieb während e: normalen Betriebes, während die Fähigkeit bei einer Beschleunif

zu Schubkräfte in etwa entgegengesetzten Richtungen erzielen, beil halten werden, wodurch eine hohe Leistungsabsorption kombinieri wird mit einem fehlenden nutzbaren Schubeingang.

Die Leistungsabsorptionseigenschaften der beiden Rotoren 13 beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können durch Detail konstruktionsmerkmale der verwendeten Rotorblätter verbessert werden. So erhöht eine vergrößerte Blattsehnendimension sowohl den Rotorschub als auch den Profilwiderstand, wodurch eine erhöhte Leistungsabsorption erzielt wird. Es können Flügelabschnd verwendet werden, die einen raschen Widerstandsanstieg über eir bestimmten Anstellwinkel oder eine Machzahl ergeben, und die

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Rotoren können in einen hohen Widerstandsbereich angetrieben werden, wenn eine Leistungsabsorption erforderlich ist. Eine Verringerung der RotorScheibenfläche würde die Kraft erhöhen, die erforderlich ist, um einen gegebenen Schub zu erzeugen, und würde zu einer kompakteren Ausgestaltung führen, und eine .Rotorblattverdrehung könnte so gewählt werden, um einen vorzeitigen Strömungsabriß an den Flügelspitzen oder das fortschreitende Ausbreiten des Abrisses zur Erzielung einfach steuerbarer Leistungsabsorptionseigenschaften zu beschleunigen.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, sie ist jedoch nicht auf dieses beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Es können andere Leistungsabsorptionsvorrichtungen zum Absorbieren von Leistung aus dem Tragrotor verwendet werden, und bei einer Doppelschwanzrotorausgestaltung kann eine Grenzschichtsteuerung der Schwanzrotorblätter verwendet werden, um die entgegenwirkenden Schubkräfte zu erzielen. Die dem Gierbedarfsmechanismus zugeordnete Transmission kann entweder mechanisch oder elektrisch betätigt werden.

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Claims

20.3.1980 W/He --*-- W/p J Ο.,Ό- Patentansprüche:

1. Hubschrauber mit einem Haupttragrotorsystem,

dadurch gekennzeichnet, daß eine Leistungsabsorpbionsvorrich -uur bzw. KraftVerbrauchsvorrichtung (12) vorgesehen ist, die selektiv Leistung von dem Haupttragrotorsystem (IV) während der Verzö^erungsphase des Hubschraubers (10) absorbiert.

2. Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabsorptionsvorrichtung (12) wenigstens ein Paar von Hilfsrotoren (13) aufweist.

3. Hubschrauber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Steuersystem vorgesehen und so ausgelegt ist, daß es wäh- '^f rend des normalen Betriebes die Steigungsverstellung eines jeden Paares von Hilfsrotoren (13) einstellt, um Schubkräfte in der gleichen Richtung zu erzeugen und daß es während der Verzögerung die Steigungsverstellung eines jeden Paares von Hilfsrotoren (13) einstellt, um Schubkräfte in etwa entgegengesetzten Eichtungen zu erzegen.

4. Hubschrauber nach Anspruch 3> mit einem einzigen Tragrotorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Hilfsrotoren (13) in der Nähe des Endes eines sich nach hinten erstreckenden Schwanzkonus (11) angeordnet ist.

5. Hubschrauber nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Hilfsrotor (13) eines Paares von Hilfsrotoren seitlich auf einer Seite des Schwanzkonus (10, 11) abgestützt und so ausgelegt ist, daß Druckkräfte Seitenschubkräfte in einer Gierrichtung aufweisen.

6. Hubschrauber nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß * die Richtung der entgegengesetzten Schubkräfte, die während der Verzögerungsphase wirksam werden, von jedem Hilfsrotor (13) * nach innen verläuft.

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7. Hubschrauber nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differentialsteigungsverstellmechanismus (19) bei Beginn des Nulldrehmomentes des Tragrotors (17) durch elektrische Signale aus einem Rotordrehzahlregler (20) und einem Gierkurssteuermechanismus (22) betätigt wird, um die Steigungsverstellung der Hilfsrotoren (13) differentiell vorzunehmen und damit eine nutzbare seitliche Schubkraft in einer gewünschten Gierrichtung zu erzielen.

8. Hubschrauber nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Gierkurssteuermechanismi!j.s (22) durch Seitensteuerpedale (23) gesteuert ist, die eine Transmission aufweisen, welche den Gierbedarf abhängig von der tatsächlichen kollektiven Steigungsverstellung der Schwanzrotoren (13) verändert.

9. Hubschrauber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission automatisch durch ein elektrisches Signal in Phase gehalten wird, das von dem Gierkurssteuermechanismus (22) in Abhängigkeit von einem Bezugssignal aus dem Differentialsteigungsverstellmechanismus (19) für den Schwanzrotor erzeugt wird.

10. Hubschrauber nach einem der Ansprüche 7-9» dadurch gekennzeichnet, daß eine von Hand betätigbare Sperrvorrichtung (24-) vorgesehen ist, die selektiv den Verstellmechanismus (19) isolier

11. Hubschrauber mit einem Rumpf und einem sich nach hinten erstreckenden Schwanzkonus, einem Haupttragrotor, der über dem Sump, angeordnet und um eine etwa vertikale Achse drehbar ist, sowie einer Schwanzrotoranordnung, die in der Nähe eines hinteren Endes des Schwanzkonus angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schwanzrotoranordnung (12) zwei Schwanzrotoren (13) aufweist, von denen jeweils einer auf jeder Seite des Schwanzkonus (11) aufgenommen ist, und daß der Hubschrauber (10) ein Steuersystem aufweist, das so ausgelegt ist, daß während der Verzögerung des Hubschraubers (10) die Steigungsverstellung der Schwanzrotoren (13) so eingestellt wird, daß die

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Schwanzrotoren (13) entsprechende seitliche Schubkräfte in etwa entgegengesetzten Eichtungen ergeben.

12. Hubschrauber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem einen Differentialsteigungsverstellmechanismus (19) aufweist, der so ausgelegt ist, daß er die Steigungsverstellung der beiden Schwanzrotoren (13) differentiell steuert, damit ungleiche seitliche Schubkräfte in etwa entgegengesetzten Eichtungen erzielt werden, die einen veränderlichen nutzbaren Seitenschub in einer gewünschten Seitenrichtung ergeben.

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