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Hintergrund
und Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Heckrotorsystem für einen Hubschrauber gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, welches sowohl für
Modellhubschrauber als auch für
Hubschrauber in natürlicher
bzw. voller Größe verwendet
werden kann.
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Hubschrauber
sind Flugmaschinen, die die Fähigkeit
haben, zu schweben und nach vorne, nach hinten und auch in seitlicher
Richtung zu fliegen. Diese Wendigkeit ist auf die vielfachen Fähigkeiten
des Hauptrotorsystems zurückzuführen. Seit
der Erfindung von Hubschraubern in den 30er-Jahren des 20. Jahrhunderts
wurden beträchtliche
Anstrengungen unternommen, um die Hubschraubertechnologie voranzubringen,
wobei sich ein wesentlicher Prozentsatz dieser Anstrengungen auf
Hauptrotorsysteme konzentrierte. Zur Entwicklung besserer Heckrotorsysteme
wurde ein nicht so großer
Aufwand betrieben.
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Während die
Technologie von Hubschraubern in natürlicher Größe über Jahrzehnte hinweg voranschritt,
blieben Modellhubschrauber mangels geeigneter Motoren, Funksteuerungsanlagen
und Konstruktionswerkstoffe praxisuntauglich. Konstrukteure von
Modellhubschraubern haben oftmals die Konstruktionen von in natürlicher
Größe ausgeführten Hubschraubern
kopiert, ohne die grundlegenden Unterschiede zwischen einem Fluggerät in natürlicher
Größe und einem
Modellfluggerät
zu verstehen. Im Ergebnis waren im Maßstab verkleinerte Modellhubschrauber
während
des Flugs typischerweise unstabil und auch mit zu geringer Motorleistung
ausgestattet.
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In
den 70er-Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelten Hobbyflieger die
ersten praxistauglichen Modellhubschrauber. Leichtere Funksteuerungsanlagen,
leistungsfähigere
Motoren und eine systematische Entwicklungsarbeit trugen jeweils
zu frühen
Erfolgen bei. Ein großer
Teil der Modellhubschrauberkonstruktion wurzelt jedoch in der Tradition.
Obwohl die Hubschraubertechnologie seit dieser Zeit beachtliche
Fortschritte gemacht hat, sind die Konstruktionen und Konstruktionsphilosophien
dieser Ära
in der Anwendung immer noch weit verbreitet.
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Während Modellhubschrauber
und Hubschrauber in natürlicher
Größe mechanisch
gesehen ähnlich
sind, unterscheiden sich die aerodynamischen Eigenschaften, Betriebsdrehzahlen
und die Gewichte von Modellhubschraubern sehr stark von denen ihrer
in voller Größe ausgebildeten
Gegenstücke.
Die Rotorblätter
von Modellhubschraubern arbeiten in einem niedrigen Drehzahlbereich,
wo der aerodynamische Luftwiderstand aufgrund der Dicke des Rotorblattprofils
zu einem sehr wichtigen Punkt wird. Frühe Versuche, die bei in voller
Größe ausgebildeten
Hubschraubern verwendeten, dicken Tragflächenprofile einzusetzen, schlugen
zum Teil fehl, weil die damals erhältlichen Motoren den hohen
Luftwiderstand der Rotorblätter
nicht überwinden
konnten. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den Anforderungen,
die bei Modellhubschraubern als auch in voller Größe ausgeführten Hubschraubern bezüglich Rotorsystemen
mit höherer
Effizienz bestehen.
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Alle
Hubschrauber mit Einzelrotor benötigen eine
bestimmte Art von Drehmomentausgleichs- oder Seitensteuerungssystem,
um beim Flug die Richtungssteuerung aufrechtzuerhalten. Es sind mehrere
verschiedene Seitensteuerungsvorrichtungen entwickelt worden (wie
zum Beispiel düsenunterstützte Heckausleger
und ummantelte Gebläse),
wobei aber herkömmliche
Heckrotorsysteme 25 Jahre lang im Wesentlichen unverändert geblieben
sind.
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Im
Allgemeinen kann das Beibehalten einer stabilen Seitenflugausrichtung
(Flugrichtung nach rechts bzw. links) eines Hubschraubers beim Schwebe-
oder Langsamflug für
den Piloten zu einer recht schwierigen Angelegenheit werden. Um
die sich ständig ändernden,
auf den Rumpf des Hubschraubers wirkenden Drehmomente auszugleichen,
die von den Hauptrotorblättern
und von atmosphärischen
Bedingungen wie seitlichen Windböen
erzeugt werden, müssen
Hubschrauberpiloten die Seitensteuerungen ihres Fluggeräts ständig bedienen.
Wegen ihrer kleinen Größe, geringen
Masse und der sich daraus ergebenden Tendenz, auf Störungen schnell
zu reagieren, gilt dies ganz besonders für Modellhubschrauber.
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Heutzutage
sind elektronische, kreiselgestützte
Stabilisierungssysteme zum Einsatz an den Heckrotorsteuerungen sowohl
von Modellhubschraubern als auch Hubschraubern in voller Größe in breiter
Vielfalt erhältlich,
um Piloten dahingehend zu unterstützen, mit Gierinstabilität fertig
zu werden. Diese Systeme sind jedoch typischerweise schwer und teuer
und erfordern oftmals eine zusätzliche
elektrische Stromversorgung an Bord des Hubschraubers. Einige bestehende,
mechanische Stabilisierungssysteme haben einen störenden Einfluss
auf die vom Piloten ausgehende Steuerung, oder haben eine zwangsweise
Rückkopplungswirkung
auf die durch den Piloten erfolgende Steuerung.
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Ein
Rotorsystem gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 ist aus der US-A-2,250,826
bekannt. Das Rotorsystem umfasst ein Rotorblatt, eine Rotorwelle
und eine Rotornabe, die mit der Rotorwelle gekoppelt ist, um mit
dieser um eine Rotordrehachse zu drehen. Die Blätter einer Luftschraube sind über Verbindungselemente
und -joche mit einer Kurbelwelle verbunden. Jedes Joch umfasst sich
ergänzende
Abschnitte, die über
Bolzen miteinander verbunden sind, und umfasst darüber hinaus
eine Lagerhülse
an einem Ende und eine Lagerhülse
an seinem entgegengesetzten Ende. Die Luftschraube umfasst auch eine
Nabe mit entgegengesetzt angeordneten Zapfen- oder Drehzapfenelementen,
die sich durch die Lagerhülsen
erstrecken.
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In
der US-A-1,781,883 ist eine Luftantriebsschraube mit einem Paar
Blättern
offenbart, wobei jedes Paar ein schleifenartiges Element und aneinander
befestigte Blätter
umfasst. Zapfen erstrecken sich durch Bohrungen in der Mitte der
schleifenartigen Elemente, um eine Drehung der Blattpaare zuzulassen,
um so ihren Neigungswinkel einzustellen bzw. zu verändern. Durch
in den schleifenartigen Elementen ausgebildete Langlöcher erstrecken
sich Bolzen, die eine Drehung der schleifenartigen Elemente und
der Blattpaare um ein paar Drehwinkelgrade um Drehzapfen ermöglichen,
wobei die Einstellung der Neigung erhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Rotorsystem mit einer erleichterten
Rotorblattfixierung, das eine leichte Montage und Demontage der
Rotorblätter
gestattet.
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Dies
wird durch ein Rotorsystem nach Anspruch 1 erreicht.
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Die
Erfindung stellt darüber
hinaus ein Seitensteuerungs- und Stabilisierungssystem für einen Hubschrauber
bereit, das einfach aufgebaut, von geringem Gewicht und kostengünstig ist,
das zu seinem Betrieb wenig Antriebskraft benötigt, und das bei normalen
Manövern
die vom Piloten ausgehende Steuerung nicht übermäßig hemmt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch eine verbesserte Vorrichtung zum
Steuern und automatischen Stabilisieren der Gierbewegung eines Modellhubschraubers
oder Hubschraubers in voller Größe bereit.
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Die
vorliegende Erfindung stellt zugstarke Rotorelemente mit geringer
Momentenwirkung zur allgemeinen Anwendung an Rotorsystemen von Modellhubschraubern
oder Hubschraubern in voller Größe bereit.
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Allgemein
gesprochen ist hiermit eine Vorrichtung zum Steuern und automatischen
Stabilisieren der Gierbewegung eines Modellhubschraubers und/oder
Hubschraubers in voller Größe offenbart. Eine
solche Vorrichtung umfasst eine Hauptheckrotorbaugruppe, die allgemein
am Ende eines Hubschrauberheckauslegers angebracht ist und sich vom
Rumpf des Hubschraubers nach hinten erstreckt, sowie einem Seitensteuerungsstabilisierungsmechanismus,
der allgemein über
Steuerelemente des Heckrotors zur Veränderung der Heckrotorblattneigung
gehaltert ist und zu den vom Piloten stammenden Steuerbefehlen zur
Veränderung
der Schubwirkung des Heckrotors eine Überlagerungsgröße liefert.
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Der
Stabilisierungsmechanismus umfasst mittels Kreiseleffekt betätigte Rotoren
und Rotorantriebsmittel, die sich allgemein an einem äußeren Ende
der Heckrotorbaugruppe befinden und automatisch den durch die Heckrotorbaugruppe erzeugten Schub
verändern,
um die Gierbewegung des Hubschraubers im Flug zu stabilisieren.
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Im
Spezielleren umfasst eine Seitensteuerungs- und Stabilisierungsvorrichtung
bei einem Hubschrauber einen Hauptheckrotor mit mehreren Heckrotorblättern, die
sich radial von einer Rotorhohlwelle weg erstrecken, die um eine
quer liegende Rotorachse drehbar angebracht ist, eine Schub-/Zugstange, die
sich durch eine Hohlwelle hindurch erstreckt und mit den Heckrotorblättern in
Wirkverbindung steht, um die kollektive Neigung bzw. nicht periodische
Neigung (engl.: collective pitch) der Heckrotorblätter manuell
zu verändern,
sowie eine an der Heckrotorbaugruppe angebrachte Kreiselbaugruppe.
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Die
Kreiselbaugruppe hat einen Kreiselrotor, der so angebracht ist,
dass er sich mit dem Heckrotor mitdreht, und um eine im Wesentlichen
in der Längsachse
liegende Schwenkachse schwenkt, die durch das äußere Ende der Schub-/Zugstange
definiert bzw. an diesem angesiedelt ist, und um im Ansprechen auf
eine Gierbewegung des Hubschraubers die kollektive Neigung der Heckrotorblätter automatisch zu
verändern.
Der Kreiselrotor hat Flügel
oder Rotorblätter,
um eine Kreiselbewegung auf aerodynamischem Wege abzuschwächen und/oder
den Schub des Heckrotors zu verstärken. Die Kreiselbaugruppe umfasst
darüber
hinaus einen Neigungsschieber, der mit der Schub-/Zugstange, dem
Hauptheckrotor und dem Kreiselrotor in Wirkverbindung steht, um
sich allgemein als Einheit mit der Schub-/Zugstange zu bewegen,
um die kollektive Neigung der Heckrotorblätter bei einer manuellen Bewegung
der Schub-/Zugstange relativ zur Rotorwelle zu verändern, und
um bei einer Präzession
des Kreiselrotors sich automatisch relativ zur Schub-/Zugstange
zu verschieben, um die kollektive Neigung der Heckrotorblätter zu verändern.
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Vorteilhafterweise
sind die in der Kreiselbaugruppe enthaltenen aerodynamischen Flügel oder Rotorblätter so
konstruiert, dass sie im Ansprechen auf ein Verschwenken des Kreiselrotors
zyklisch in der Neigung verstellbar sind, so dass aerodynamische
Rückstellkräfte erzeugt
werden, die sich einem Verschwenken des Kreiselrotors entgegensetzen, damit
während
eines Hubschrauberflugs der Kreiselrotor zu den exakten Zeitpunkten
in eine Nominalausrichtung zurückgebracht
wird. Eine Variante der vorliegenden Erfindung sieht – einhergehend
mit der zyklischen Neigungsverstellung der Kreiselrotorflügel – eine kollektive
Neigungsverstellung der Kreiselflügel im Ansprechen auf die kollektive
Neigungsverstellung der Heckrotorblätter vor. Eine gleichzeitig
erfolgende, zyklische und kollektive Neigungsverstellung gestattet
in vorteilhafter Weise, dass die Kreiselbaugruppe sowohl eine Stabilisierungsfunktion
als auch eine Funktion im Hinblick auf die Erzeugung von Schub übernehmen
kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
umfasst ein Heckrotor eines Hubschraubers Rotorblätter mit niedrigem
Neigungsmoment, die zur Verwendung mit dem kreiselgestützten Stabilisierungssystem
ausgelegt sind. Die Blätter
haben einen aerodynamischen Auftriebsmittelpunkt, der sich vor der
Neigungsachse befindet, und verfügen über Massenausgleichsmittel, um
die am Fuß der
Blätter
herrschenden Neigungskräfte
zu minimieren. Zusätzlich
umfasst eine Vorrichtung zur funktionsmäßigen Verbindung der Heckrotorblätter mit
einer Heckrotornabe miteinander verbundene, umgreifende Haltemittel,
welche die Fußpunkte
der Heckrotorblätter
in Wirkverbindung zueinander setzen, wobei jedes umgreifende Haltemittel an
der Seite der Heckrotornabe angreift, die seinem jeweiligen Blatt
gegenüberliegt.
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Zusätzliche
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich dem Fachmann
bei Betrachtung der nun folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten
Ausführungsformen,
in der die Art zur Ausführung
der Erfindung veranschaulicht ist, wie sie gegenwärtig als
optimal angesehen wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
ausführliche
Beschreibung bezieht sich insbesondere auf die begleitenden Zeichnungen.
In diesen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines repräsentativen Hubschraubers mit
einer Heckbaugruppe, die mit einem verbesserten Seitensteuerungs-
und Stabilisierungssystem sowie einem Rotorsystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
der in 1 dargestellten Hubschrauberheckbaugruppe;
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3 eine
Draufsicht der in 2 gezeigten Hubschrauberheckbaugruppe
von hinten (von der Rückseite
des Hubschraubers aus gesehen mit Blick auf den Rumpf), welche die
Auswirkung eines vom Piloten stammenden Steuerbefehls auf die Neigung (Anstellwinkel)
der Heckrotorblätter
zeigt, wobei ein Heckrotorblatt im Querschnitt gezeigt ist und der Übersichtlichkeit
halber alle vor dem Heckrotorgetriebe liegenden Einzelheiten weggelassen
sind;
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4 eine 3 ähnliche
Ansicht, in der die Reaktion (also die Veränderung der Neigung bzw. des
Anstellwinkels) eines der Heckrotorblätter (im Querschnitt gezeigt)
auf eine Gierbewegung des Hubschraubers hin gezeigt ist, sowie die
Reaktion der beiden Kreiselflügel,
die in der Kreiselbaugruppe enthalten sind, welche verschiebbar
an einem äußeren Ende
der Heckrotorbaugruppe angebracht ist;
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5A und 5B detaillierte,
perspektivische Ansichten der Hauptheckrotorblätter und Heckrotor-Blatthalter
gemäß der vorliegenden
Erfindung, und zwar vor der Montage (5A) sowie
in teilweise montiertem Zustand (5B), wobei
alle anderen Teile der Heckrotorbaugruppe der Übersichtlichkeit halber weggelassen
sind;
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6 eine
detaillierte, perspektivische Ansicht von Heckrotorantriebs- und
Steuerelementen, und der teilweise zusammengebauten Heckrotorblätter der
vorliegenden Erfindung, wobei der Heckausleger in aufgebrochener
Ansicht gezeigt ist und alle anderen Teile der Heckrotorbaugruppe
der Übersichtlichkeit
halber weggelassen sind;
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7 eine
auseinander gezogene, perspektivische Ansicht von Heckrotor- und Kreiselsteuerelementen
einschließlich
des Heckrotor-Neigungsgestänges,
wobei der Übersichtlichkeit
halber alle anderen Teile der Heckrotorbaugruppe weggelassen sind;
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8 eine
auseinander gezogene, perspektivische Ansicht von Kreiselrotorelementen,
wobei der Übersichtlichkeit
halber alle anderen Teile der Heckrotorbaugruppe weggelassen sind;
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9 eine
perspektivische Ansicht von Heckrotor-Unterbaugruppen gemäß der vorliegenden
Erfindung, in der die relativen Positionen des Heckrotorgetriebes,
der Heckrotorblätter,
des Neigungsgestänges
und der Kreiselrotorelemente gezeigt sind;
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10A und 10B eine
Vergleichsansicht eines symmetrischen Tragflügel- bzw. Profilschnitts und eines unterseitig
gekrümmten
Profilschnitts;
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11A und 11F Draufsichten
von verschiedenen Auslegungen der Heckrotorblätter des Rotorsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung, die sich neben typischen Querschnitten 11B bis 11E von
ausgewählten
Spannweitenstellen befinden;
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12 eine
perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform eines Seitensteuerungs-
und Stabilisierungssystems, die einen in voll kollektiv wirkender
Neigungsverstellung arbeitenden Kreiselrotor zeigt, der an einer
Hubschrauber-Heckrotorbaugruppe angebracht und anstelle der Kreiselflügel der
in 1 und 2 gezeigten Bauart mit Rotorblättern versehen
ist;
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13 eine
auseinander gezogene Ansicht des in 12 gezeigten
Seitensteuerungs- und Stabilisierungssystems, in der die Einzelheiten
jedes Elements gezeigt sind;
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14 eine
Draufsicht der in 13 gezeigten Hubschrauberheckbaugruppe
von hinten (von hinten auf den Hubschrauber gesehen und mit Blick
zum Rumpf), die mit den in 12 und 13 gezeigten,
zusätzlichen
Heckrotorblättern
sowie mit einem in voll kollektiv wirkender Neigungsverstellung arbeitenden
Kreiselrotor ausgestattet ist, und die die Auswirkung eines vom
Piloten stammenden Steuerbefehls auf alle Heckrotorblätter zeigt,
wobei ein Heckrotorblatt im Querschnitt gezeigt ist und alle vor dem
Heckrotorgetriebe liegenden Einzelheiten der Übersichtlichkeit halber weggelassen
sind;
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15 eine 14 ähnliche
Ansicht, in der die Reaktion (also die Veränderung der Neigung bzw. des
Anstellwinkels) eines der Heckrotorblätter (im Querschnitt gezeigt)
auf eine Gierbewegung des Hubschraubers hin gezeigt ist, sowie die
Reaktion der beiden Kreiselflügel,
die in der Kreiselbaugruppe enthalten sind, welche verschiebbar
an einem äußeren Ende
der Heckrotorbaugruppe angebracht ist;
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16 einen
den Luftwiderstand reduzierenden Wirbelstreifen, der an die Oberseite
einer Tragfläche
angefügt
ist;
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17A und 17B Draufsichten
von Heckrotorblättern,
in denen verschiedene, den Luftwiderstand reduzierende Wirbeleinrichtungen
gezeigt sind, die nahe den Vorderkanten der Blätter angefügt sind; und
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18A und 18B eine
Draufsicht bzw. Rückansicht
eines Hauptrotorblatts mit als 18C bis 18G gezeigten Profilquerschnitten, und einem Wirbelgenerator,
der an der Oberseite nahe der Vorderkante angefügt ist.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Mit
Bezug auf 1 ist ein Hubschrauber 10 im
Allgemeinen so entworfen, dass er einen großen Hauptrotor 1 umfasst,
der sich um eine Hauptrotorachse 5 dreht und den Hubschrauber 10 in
die Luft erhebt, sowie einen kleineren Heckrotor 2, der
sich um eine Heckrotorachse 14 dreht und dazu verwendet
wird, dem vom Hauptrotor 1 erzeugten Drehmoment entgegenzuwirken
und den Hubschrauber 10 zu steuern. Der Heckrotor 2 ist
am hinteren Ende eines Heckauslegers 16 wie in den 1 und 2 gezeigt
angebracht.
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Sowohl
der Hauptrotor 1 als auch der Heckrotor 2 werden
von einem Motor 3 angetrieben, der sich üblicherweise
innerhalb des Rumpfs (Körpers) des
Hubschraubers nahe der vertikal angeordneten Hauptrotorwelle befindet.
Obwohl der in 1 gezeigte Hubschrauber 10 ein
Modellhubschrauber ist, sollte klar sein, dass bemannte Hubschrauber
(nicht gezeigt) auch einen über
einen Motor angetriebenen Haupt- und Heckrotor umfassen. Der Darstellung nach
dreht sich der Hauptrotor 1 um eine Hauptrotorwelle, die
mit der Hauptrotorachse 5 in einer Linie liegt und ein
Paar Rotorblätter 17 sowie
ein Paar kürzere
Hilfsrotorblätter 23 umfasst.
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Wie
in 1 gezeigt ist, bedeckt eine stromlinienförmige Rumpfhülle oder
Rumpfkabine 4 einen vorderen Abschnitt des Hubschraubers 10.
Im Gebrauch sind im Inneren der Kabine 4 eine funkgesteuerte
Befehlseinheit (nicht gezeigt) und andere Antriebsmechanismen enthalten.
Die Kabine 4 ist zur Verwendung mit einem Modellhubschrauber
wie dem Hubschrauber 10 ausgelegt, um die Funksteuerungseinheit
zu schützen
und das Aussehen eines mit einem Piloten besetzten Hubschraubers
zu vermitteln. Am Hubschrauber 10 erstreckt sich die Kabine 4 nicht
bis zum Heckrotor 2 nach hinten.
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Winkelbewegungen
des Hubschraubers 10 um die Hauptrotorachse 5 bezeichnet
man als Gierbewegungen. Kräfte,
die den Hubschrauber 10 um die Hauptrotorachse 5 zu
drehen und den Seitenkurs des Hubschraubers 10 zu verändern suchen,
werden als Giermomente oder Gierdrehmomente bezeichnet.
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Herkömmlicherweise
steuert der Pilot eines in voller Größe ausgebildeten Hubschraubers
die Neigung des Heckrotorblatts, indem er Fußpedale betätigt, die sich im Cockpit des
Hubschraubers befinden. Über
Seile, Schub-/Zugstangen und Winkelhebel sind die Fußpedale
mit den Neigungssteuerungen der Heckrotorblätter verbunden. Wenn der Pilot die
Pedalposition verstellt, ergibt die Veränderung des Anstellwinkels
(Neigung) und der dazugehörigen Schubkraft
der sich drehenden Heckrotorblätter
ein Giermoment um die Hauptrotorachse 5. Dieses Moment
richtet sich darauf, den Hubschrauber zu manövrieren und/oder jeglichem
destabilisierenden, vom Piloten gefühlten Giermoment entgegenzuwirken.
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Heckrotoren
von funkgesteuerten Modellhubschraubern arbeiten in einer Art und
Weise, die derjenigen von in voller Größe ausgebildeten Hubschraubern entspricht.
Der auf dem Erdboden stehende Hubschrauberpilot betätigt kleine
Joysticks an einem in der Hand gehaltenen Funksender (nicht gezeigt),
der wiederum Funkbefehle an elektromechanische Servostellglieder
(nicht gezeigt) sendet, die sich im fliegenden Modellhubschrauber
befinden. Schub-/Zugstangen und Winkelhebel verbinden die Servostellglieder
mit den Steuerungen zur kollektiven Neigungsverstellung der Heckrotorblätter, die
der Modellhubschrauber umfasst.
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Im
Betrieb dreht sich der Hauptrotor 1 des Hubschraubers 10 schnell
um die Hauptrotorachse 5 in der Drehrichtung 6.
Dabei wirken die Hauptrotorblätter 17 wie
Antriebs- oder Luftschrauben, die große Mengen von Luft nach unten
bewegen und dadurch eine Kraft erzeugen, die den Hubschrauber 10 nach
oben hebt. Das von dem sich in der Drehrichtung 6 drehenden
Hauptrotor 1 erzeugte Drehmoment (Reaktionskraft) versucht
den Hubschrauber 10 um die Hauptrotorachse 5 in
eine Gierrichtung 7 zu drehen. Ist er für einen gleichmäßigen Schwebeflug ausgetrimmt,
erzeugt der Heckrotor 2 genügend Schubkraft in Richtung 7,
um das vom Hauptrotor 1 erzeugte Drehmoment exakt auszugleichen,
so dass der Hubschrauber 10 eine konstante Flugrichtung beibehält. Eine
Zunahme oder Abnahme der vom Heckrotor 2 erzeugten Schubkraft
veranlasst, dass sich der Hubschrauber 10 in die Gierrichtung 7 bzw. 8 dreht.
Mittels des vom Piloten gesteuerten Systems zur Veränderung
der kollektiven Neigung der Heckrotorblätter 11 kann die Größe der vom
Heckrotor 2 erzeugten Schubkraft verändert werden. Das vom Piloten
gesteuerte System zum Steuern des Heckrotors 2 wird nun
nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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Der
Heckrotor 2 wird um eine quer liegende Heckrotorachse 14 durch
ein Antriebsgestänge
in Drehung versetzt, das durch das Getriebe 15 hindurch
läuft und
den Motor 3 mit dem Heckrotor 2 verbindet, um
eine Schubkraft zu erzeugen, die zum Heckausleger 16 quer
verläuft
und gegenüber
der vertikalen Drehachse 5 des Hauptrotors 1 versetzt angeordnet
ist. Das Getriebe 15 ist am Ende des Heckauslegers 16 angebracht
und haltert eine vom Piloten gesteuerte Schubstange 20,
die sich zwischen der Kabine 4 und dem Getriebe 15 entlang dem Heckausleger 16 erstreckt.
Das Getriebe 15 umschließt Kugellager, Antriebszahnräder und
eine Antriebswelle, die den Heckrotor 2 haltern und ihn
antreiben.
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Wie
in 2 gezeigt ist, umfasst der Heckrotor 2 der
vorliegenden Erfindung ein Paar Heckrotorblätter 11 und eine Kreiselbaugruppe 12 mit
Kreiselarmen 59, 67 und einer Kreiselnabe 62,
die in Drehrichtung 13 um die Heckrotorachse 14 drehen.
Die Kreiselbaugruppe 12 ist an einem äußeren Ende des Heckrotors 2 angebracht
und stellt ein Seitensteuerungs- und Stabilisierungssystem für den Hubschrauber
bereit, um die Neigung der Heckrotorblätter 11 am Heckrotor 2 automatisch
und kontinuierlich und unabhängig
voneinander zu verändern,
um die Gierbewegung des Hubschraubers 10 zu stabilisieren. Somit
kann unter Verwendung des Pilotensteuersystems die kollektive Neigung
der Heckrotorblätter 11 manuell
auf einen gewählten
Neigungswinkel eingestellt werden, während durch die Kreiselbaugruppe die
kollektive Neigung ausgehend vom gewählten Neigungswinkel automatisch
und kontinuierlich im Ansprechen auf eine Gierbewegung, die der
Hubschrauber 10 während
des Flugs erhält,
abgeändert wird.
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Die
Kreiselbaugruppe 12 liefert eine stabilisierende Kompensationszusatz- oder Verstellgröße bezüglich der
vom Piloten stammenden Heckrotorsteuerbefehle. Es laufen somit Seitensteuerungssignale
vom Pilotensteuersystem direkt zum Heckrotor 2 (über die
Elemente 20, 21, 22, 15, etc.),
um große Veränderungen
bezüglich
des Seitenkurses des Hubschraubers 10 hervorzurufen. Dabei
funktioniert die am Heckrotor 2 angebrachte Kreiselbaugruppe 12 automatisch
dahingehend, die Neigung der Rotorblätter 11 ausgehend
von der durch das Pilotensteuersystem eingestellten Neigung kollektiv
abzuändern.
Dieser "zusätzliche
Neigungssteuereingang", der
von der Kreiselbaugruppe 12 bereitgestellt wird, stabilisiert
die Gierbewegung des Hubschraubers 10 während des Flugs, ohne die Pilotensteuerung übermäßig stark
zu hemmen.
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Man
nehme nun Bezug auf 3, in der eine Draufsicht des
hinteren Endes des Heckrotors 2, die Kreiselbaugruppe 12 und
das Getriebe 15 gezeigt sind, wobei vor dem Getriebe 15 liegende
Details des Hubschraubers der Übersichtlichkeit
halber weggelassen sind. Der Heckrotor 2 ist an der Heckrotorachse 14 so
positioniert, dass er zwischen dem Getriebe 15 (am Heckausleger 16 angebracht)
und der Kreiselbaugruppe 12 liegt, wie in den 2 und 3 gezeigt
ist. Der Heckrotor 2 (einschließlich der Heckrotorblätter 11)
dreht sich schnell um die Heckrotorachse 14 und dreht die
Kreiselbaugruppe 12 um die Heckrotorachse 14 mit,
und zwar mittels Delta-Antriebsstäben 61, 73,
die mit der Kreiselbaugruppe 12 schwenkbar verbunden und
an einem Drehkreuz 46 verschiebbar angeschlossen sind.
Die Kreiselbaugruppe 12 ist für eine gesteuerte Gleitbewegung
am äußeren geraden
Ende der Schub-/Zugstange 22 angebracht, die sich durch
den Heckrotor 2 hindurch und vom Getriebe 15 weg
erstreckt, wie in den 3 und 4 gezeigt
ist.
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Um
beim Normalflug den Heckrotor 2 zu steuern, kann der Hubschrauberpilot
die Neigung und die dazugehörige
Schubkraft der Heckrotorblätter 11 mittels
des Pilotensteuersystems ohne Einflussnahme auf die Kreiselbaugruppe 12 verändern, indem
er die Schub-/Zugstange 22 bewegt, die sich quer durch
das Innere des Getriebes 15 und die Heckrotornabe 39 erstreckt
und fest mit einer Kreiselaufnahme 52 verbunden ist. Um
zum Beispiel in Gierrichtung 8 (in 1 gezeigt)
zu drehen, verschiebt der Pilot die Schubstange 20 entlang
dem Heckausleger 16, was den Winkelhebel 21 (in
näherer
Einzelheit in 6 gezeigt) verdreht und die
Schub-/Zugstange 22 dazu bringt, sich axial in Richtung
des Steuerbefehlspfeils 19 zu verschieben. Die Kreiselbaugruppe 12 und
das Heckrotorblatt-Neigungsgestänge 24 stehen
in Wirkverbindung mit der Schub-/Zugstange 22 und bewegen
sich zusammen mit dieser in der Richtung des Steuerbefehlspfeils 19, wodurch
die Heckrotorblätter 11 auf
einen größeren Anstellwinkel
angestellt werden, wie durch den Steuerneigungspfeil 25 gezeigt
ist. Dieser neue Anstellwinkel und die zugeordnete Veränderung
der Schubkraft des Heckrotors 2 lässt den Hubschrauber 10 in Gierrichtung 8 drehen.
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Allgemein
können
Windböen
oder Veränderungen
des Drehmoments des Hauptrotorsystems während des Flugs einen Hubschrauber
dazu bringen, plötzlich zu
gieren (um seine Hauptrotorachse zu drehen). Um dieser Gierinstabilität Herr zu
werden, sind sowohl Hubschrauber in Normalgröße als auch Modellhubschrauber
häufig
mit Seitensteuerungsstabilisierungssystemen ausgestattet. Kreiselgestützte Stabilisierungssysteme
lassen sich allgemein als mechanische oder elektromechanische Systeme
klassifizieren. Mechanische Systeme beruhen allgemein auf einem
Präzessionsversatz
(Winkelversatz) eines relativ großen Kreiselarms bzw. eines
relativ großen
Schwungmassenmechanismus, um die Neigung der Heckrotorblätter in
Entgegenwirkung zu jeglicher Gierbewegung des Hubschraubers zu verändern. Bei
elektromechanischen Systemen wird der Präzessionsversatz (Winkelversatz)
eines relativ kleinen Schwungmassenmechanismus erfasst, und die
Heckrotorblätter über elektronische Verstärkung und
elektromechanische und/oder hydraulische Servostellglieder gesteuert.
Moderne Modellhubschrauber tragen oftmals elektromechanische, kreiselgestützte Stabilisierungssysteme
mit sich, die auf elektronischem Wege mit dem Servosteuerkreis für den Heckrotor
verknüpft
sind. Diese Kreiselsysteme sind relativ teuer und schwer und ziehen
von den im Fluggerät
beförderten
Funkempfänger-Systembatterien
Leistung ab. Ein Beispiel für
ein elektromechanisches System, das für Hubschrauber in Normalgröße ausgelegt
ist, ist im US-Patent Nr. 3,528,633 von Knemeyer beschrieben.
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Einige
Seitensteuerungsstabilisierungssysteme, insbesondere ausgefeilte
elektromechanische Systeme, koppeln immer dann ab, wenn der Pilot
das Fluggerät
steuert. Andere Systeme, vor allem mechanische Systeme, wirken so,
dass sie jegliche Gierbewegung des Hubschraubers unterdrücken, einschließlich der,
die der Pilot gerne haben möchte. Bei
diesen mechanischen Systemen muss der Pilot den Kreiselmechanismus
mit Kraft überwinden,
um den Heckrotor zum Trimmen und für den Normalflug zu steuern.
Da Kreiselmechanismen dazu neigen, sich einer mechanischen Verschiebung
zu widersetzen, verspürt
der Pilot einen Widerstand gegenüber Steuerbefehlen,
wann immer er versucht, die kollektive Neigung der Heckrotorblätter manuell
zu verändern,
um die Flugrichtung oder den Kurs des Hubschraubers zu ändern. Dieser
Widerstand bleibt typischerweise bestehen, solange die Rate der
Gierbewegung nicht null ist.
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Allgemein
tendieren diese Systeme dazu, die Stabilität des Hubschraubers auf Kosten
seiner Steuerfähigkeit
zu erhöhen.
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Zum
Einsatz in Modellhubschraubern und/oder Hubschraubern in voller
Größe sind
eine ganze Reihe von Seitensteuerungsstabilisierungsvorrichtungen
entwickelt worden, siehe beispielsweise die US-Patente Nr. 3,004,736
von Culver und 4,759,514 von Burkam. Ein mechanischer kreiselgestützter Stabilisierungsmechanismus
ist im American Aircraft Modeler Magazine (ursprünglich mit Sitz in 733, 15.
Straße
N.W., Washington, D.C. 20005) in der Ausgabe vom März 1973
auf Seite 41 näher
erläutert.
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In
den letzten Jahren ist der Stand der Technik bei Seitensteuerungsstabilisierungsvorrichtungen durch
die Entwicklung von kreiselgestützten
Stabilisierungssystemen vorangetrieben worden, die am Heckrotor
angeschlossen und vom Pilotensteuersystem unabhängig sind, so dass sowohl das
Pilotensteuersystem als auch das durch den Kreisel gesteuerte Stabilisierungssystem
unabhängig
voneinander arbeiten, um die vom Heckrotor erzeugte Schubkraft zu
verändern.
Bezüglich
einer Beschreibung einer geeigneten Vorrichtung zur Betätigung eines
Heckrotors zur automatischen Stabilisierung der Gierbewegung eines
Hubschraubers wird auf das US-Patent Nr. 5,305,968 von Paul E. Arlton
Bezug genommen, das hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.
Das im '968er-Patent
von Arlton offenbarte System lässt
vorteilhafter Weise zu, dass ein Hubschrauberpilot das Pilotensteuersystem
zur Einstellung der Neigung der Heckrotorblätter verwendet, um die Kursrichtung
des Hubschraubers einzustellen, und ermöglicht es aber auch, dass ein
kreiselgesteuertes Stabilisierungssystem die Neigung der Heckrotorblätter automatisch
und kontinuierlich (ohne Einwirkung seitens des Piloten) verändern kann,
um, ohne den Piloten zu stören
(wie zum Beispiel durch Erhöhung
des Widerstands bei Verwendung und Betrieb der Fußpedale),
eine unplanmäßige Gierbewegung auszugleichen.
Wie zuvor erwähnt,
können
Wind- oder andere
atmosphärische
Störungen
einem Hubschrauber im Flug eine unplanmäßige Gierbewegung mitgeben.
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4 ist
eine 3 ähnliche
Ansicht und stellt die Auswirkung einer Gierbewegung des Hubschraubers
auf die Kreiselbaugruppe 12 dar. Im Betrieb werden durch
eine Gierbewegung des Hubschraubers 10 in Richtung 7 (in 1 gezeigt)
Gierkräfte
auf die Kreiseldrehspindel 51 und die Kreiselbaugruppe 12 aufgebracht,
was die Kreiselbaugruppe 12 dazu veranlasst, in Präzessionsrichtung 27 um eine
Kreiselschwenkachse 120 eine Präzessionsbewegung auszuführen (zu
kippen). Ein Verkippen der Kreiselbaugruppe 12 betätigt das
Heckrotor-Neigungsgestänge 24 so,
dass es sich in Richtung des Stabilisiereingangspfeils 28 entlang
der Schub-/Zugstange 22 verschiebt, wodurch die Heckrotorblätter 11 auf
einen größeren Anstellwinkel
angestellt werden, wie durch den Stabilisierneigungspfeil 26 gezeigt
ist. Dieser neue Anstellwinkel und die zugehörige Veränderung der Schubkraft des
Heckrotors 2 wirken der ursprünglichen Gierbewegung des Hubschraubers 10 entgegen.
Eine maximale Steuerneigung, die von den vom Piloten stammenden
Steuerbefehlen kommt (wie durch den Steuerneigungspfeil 25 in 3 dargestellt)
und manuell mittels der Schubstange 20 erzeugt wird, ist üblicherweise
größer als
die maximale Stabilisierungsneigung (wie durch den Stabilisierneigungspfeil 26 dargestellt),
die automatisch durch die Kreiselbaugruppe 12 erzeugt wird,
so dass der Pilot die Steuergewalt zur Überwindung des kreiselgestützten Stabilisierungssystems 12 hat,
um beim Flug den Seitenkurs des Hubschraubers 10 einzustellen.
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Die
Grenzen der durch die Kreiselbaugruppe 12 erzeugten Stabilisierungsneigung
lässt sich
auf viele Arten einstellen. In der bevorzugten Ausführungsform
kann die Kreiselbaugruppe 12 so weit eine Präzessionsbewegung
in eine Richtung ausführen, bis
das Heckrotor-Neigungsgestänge 24 an
der Kreiselaufnahme 52 anschlägt, und in die andere Richtung,
bis die Innenflächen
der Kreiseldrehspindel 51 in Berührung mit der Kreiselaufnahme 52 gelangen. Wenn
der Mechanismus einen mechanischen Anschlag erreicht hat, ist keine
weitere Präzession
mehr möglich,
und somit auch keine weitere, von der Kreiselvorrichtung kommende
Eingangsgröße zur Veränderung
der kollektiven Neigung der Heckrotorblätter 11.
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Die
Kreiselbaugruppe 12 befindet sich normalerweise in einer
vertikalen Nominalausrichtung, wie zum Beispiel in 3 gezeigt
ist. Wenn der Hubschrauber 10 um die Hauptrotorachse 5 giert,
dann kippt die Kreiselbaugruppe 12 aus der Nominalausrichtung
in eine gekippte Ausrichtung, wie sie zum Beispiel in 4 gezeigt
ist. Es ist ein Mechanismus notwendig, um die Kreiselbaugruppe 12 aus
der gekippten Ausrichtung wieder zurück in die Nominalausrichtung
zu kippen. Im US-Patent Nr. 5,305,968 von Paul E. Arlton wurde eine
Federvorrichtung verwendet, um eine "gekippte" Kreiselbaugruppe 12 wieder
in die Vertikalausrichtung zu bringen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung umfasst die Kreiselbaugruppe 12 einen
ersten und zweiten Kreiselarm 59, 67, die sich
entlang einer ersten und zweiten Kreiselarm-Neigungsachse 210 bzw. 212 erstrecken,
einen Halterungsmechanismus 214, um die Kreiselarme 59, 67 für eine Schwenkbewegung
um die Kreiselschwenkachse 120 aus der Nominalausrichtung
in die gekippte Ausrichtung im Ansprechen auf Gierbewegungen zu
haltern, und einen Rückstellmechanismus
bzw. ein Neigungsverstellgestänge 216.
Das Neigungsverstellgestänge 216 bringt
die Kreiselarme 59, 67 aus ihrer gekippten Ausrichtung in
ihre Nominalausrichtung zurück,
indem die Kreiselarme 59, 67 um die Kreiselarm-Neigungsachsen 210 bzw. 212 geneigt
werden, um eine aerodynamische Kraft zu erzeugen, die sich der Kipp-
oder Schwenkbewegung der Kreiselarme 59, 67 aus
ihrer Nominalausrichtung heraus entgegensetzt, wie zum Beispiel
in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist.
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Die
Kreiselarme 59, 67 können einen Kreiselflügel 218 und
eine Welle 220 umfassen, wie zum Beispiel in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist, ein aerodynamisches Blatt 222, wie es beispielsweise
in den 12 – 15 gezeigt
ist, oder einen gewichtsbelasteten Arm, wie er im US-Patent Nr. 5,305,968
von Arlton offenbart ist. Die Wellen 220 verbinden die
Kreiselflügel 218 mit
dem Halterungsmechanismus 214 und dem Neigungsverstellgestänge 216,
wie zum Beispiel in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist. Die Wellen 220 bilden die Kreiselarm- Neigungsachsen 210, 212,
wie beispielsweise in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist.
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Sobald
die Kreiselbaugruppe 12 verkippt ist, ist ein bestimmter "Mechanismus" nötig, um
sie in eine vertikale Nominalausrichtung zurückzubringen. Bei Kippung der
Kreiselbaugruppe 12 in Richtung 27 werden durch
Delta-Antriebsstäbe 61, 73,
die in schräg
gestellten Antriebsstabbohrungen 66 sitzen, welche in Delta-Flügelhaltern
oder Kreiselarmhaltern 60, 71 (siehe 8 und 9)
ausgebildet sind, die Kreiselflügel 218 dazu
veranlasst, zyklisch ihre Neigung zu verändern (zweimal pro Umdrehung,
einmal nach oben und einmal nach unten), um ein der Richtung 27 entgegengesetztes
aerodynamisches Moment zu erzeugen. Durch dieses aerodynamische Moment
wird die Kreiselbaugruppe 12 in ihre vertikale Nominalausrichtung
nach kurzer Zeitverzögerung zurückgestellt,
wobei diese Zeitverzögerung
durch Veränderung
von Größe und Gewicht
der Kreiselflügel 218 und
Veränderung
des Delta-Steuerwinkels 65 (deutlicher in 8 zu
sehen) eingestellt werden kann. Wenn sie sich in der vertikalen
Nominalausrichtung befinden, sind die Kreiselflügel 218 unter einem
positiven Neigungswinkel in den ankommenden Luftstrom gestellt und
können
zur Trimmung des Heckrotors 2 verwendet werden.
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Funktionsmäßig liefert
die Kreiselbaugruppe 12 eine stabilisierende Kompensation
oder Verstellung bezüglich
der vom Piloten stammenden Heckrotorsteuerbefehle. Seitensteuerungsbefehle,
die beständig
vom Piloten kommen und dazu notwendig sind, den Hubschrauber 10 auf
einen neuen Kurs zu schwenken, lassen die Kreiselbaugruppe 12 eine Präzessionsbewegung
bis auf eine voreingestellte Grenze ausführen; ab diesem Punkt ist der
Mechanismus nicht mehr dahingehend wirksam, sich der Gierbewegung
entgegenzusetzen. Unverzügliche Steuerbefehle
versetzen (also verschieben) die Kreiselbaugruppe 12 am äußeren, geraden
Ende der Schub-/Zugstange 22 in eine Richtung, die im Wesentlichen
parallel zur Drehachse 14 liegt. Eine solche lineare Verschiebung
hat keinen Präzessionseffekt
auf die Kreiselbaugruppe 12, und somit hemmt der hier beschriebene
Kreiselmechanismus solche Befehle auch nicht. Das heißt, dass die
Kreiselbaugruppe 12 eine Gierbewegung des Hubschraubers 10 im
Flug stabilisiert, jedoch die vom Piloten ausgehende Steuerung bezüglich des
Heckrotors 2 nicht übermäßig hemmt.
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Um
eine detaillierte Kenntnis der vorliegenden Erfindung zu entwickeln,
ist es am einfachsten, isolierte Elemente der Erfindung getrennt
vom gesamten Mechanismus zu betrachten. Mit Bezug auf die 5A und 5B sind
bei der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die Heckrotorblätter 11 fest an umgreifenden
Blatthaltern 32 befestigt, die auch Trimmgewichtsschrauben 34 haltern.
Die in 5B gezeigte Heckrotorblattbaugruppe 36 umfasst
zwei entgegengesetzt angeordnete Heckrotorblätter 11, die um Heckrotorblatt-Drehbolzen 35 verschwenkbar
sind, die sich an der Basis bzw. am Blattfuß 122 jedes Heckrotorblatts 11 durch die
umgreifenden Halter 32 erstrecken sowie durch den umgreifenden
Blatthalter 32 des entgegengesetzt angeordneten Heckrotorblatts 11.
Die Heckrotorblätter 11 umfassen
den Blattfuß 122,
der angrenzend an die Rotornabe 39 angeordnet ist, sowie
eine Außenkante 158,
die vom Blattfuß 122 beabstandet ist,
wie zum Beispiel in den 5A, 5B und 11A gezeigt ist. An den Innenflächen der
umgreifenden Halter 32 liegen Druckscheiben 37 an,
die aus einem reibungsarmen Material wie Teflon gefertigt sind.
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Wie
zum Beispiel in den 5A, 5B, 6, 11A, 17A und 17B gezeigt ist, sind die umgreifenden Halter 32, 101 C-förmig und umfassen
einen Basisabschnitt 112, der mit einem Heckrotorblatt 11 verbunden
ist, einen Drucklagerabschnitt 116 und einen Verbindungsabschnitt 114,
der zwischen dem Basisabschnitt 112 und dem Drucklagerabschnitt 116 liegt.
Wie in der Montagereihenfolge von 6 gezeigt
ist, umfassen die Drucklagerabschnitte 116 jedes umgreifenden
Halters 32 eine Blatthalter-Lagerfläche 124, die an einer
Rotornaben-Lagerfläche 126 der
Heckrotornabe 39 gegenüber
dem Heckrotorblatt 11 anliegt, das mit dem jeweiligen umgreifenden
Halter 32 verbunden ist. Die umgreifenden Halter 32 sind
so ausgebildet, dass sie Blatthalterbohrungen mit einer Basiszapfenbohrung 113 umfassen,
die im Basisabschnitt 112 gebildet ist, und eine Druckzapfenbohrung 115,
die im Drucklagerabschnitt 116 gebildet ist.
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Die
umgreifenden Halter 32 werden an die Heckrotornabe 39 anmontiert,
indem man Drehbolzen 35 durch die Basiszapfenbohrungen 113 und Druckzapfenbohrungen 115 in
die Heckrotornabe 39 einführt. Jeder Drehbolzen 35 erstreckt
sich durch eine Basiszapfenbohrung 113 eines umgreifenden Halters 32 und
durch eine Druckzapfenbohrung 115 des anderen umgreifenden
Halters 32, wie zum Beispiel in den 5A, 5B und 6 gezeigt
ist.
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In 6,
in der bestimmte Heckrotorelemente vor dem Zusammenbau gezeigt sind,
erstreckt sich die Heckrotor-Schubstange 20 nach hinten
entlang dem Heckausleger 16 vom Pilotensteuerstand des Hubschraubers 10 und
steht in Wirkverbindung mit dem Winkelhebel 21. Auch die
Schub-/Zugstange 22 steht in Wirkverbindung mit dem Winkelhebel 21 und erstreckt
sich quer durch das Innere des Getriebes 15 und die Heckrotornabe 39,
um schließlich
aus der Heckrotornabe 39 durch die Bohrung 41 auszutreten. Die
Heckrotorbaugruppe 36 steht in Wirkverbindung mit der Heckrotornabe 39 über Heckrotorblatt-Drehbolzen 35,
die sich in Nabenzapfenbohrungen 40 erstrecken, die sich
an entgegengesetzten Seiten der Heckrotornabe 39 befinden.
Es ist ein Kraftübertragungssystem
mit einem Kegelrad 69 vorgesehen, das fest mit einer Antriebswelle 70 verbunden
ist, die sich im Heckausleger 16 befindet, um Antriebskraft vom
Motor 3 auf den Heckrotor 2 zu übertragen.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird der Heckrotor 2 mit einer Drehzahl angetrieben, die
das Zwei- bis Dreifache der Drehzahl des Hauptrotors 1 beträgt. Höhere Drehzahlverhältnisse
steigern den Schub und die Kreiselwirkung der vorliegenden Erfindung, erkauft
mit einem erhöhten
Energieverbrauch.
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Nunmehr
mit Bezug auf 7 umfasst das Heckrotor-Neigungsgestänge 24 (in 3 gezeigt) eine
Schiebeöse 45,
ein Drehkreuz 46, eine Drehkreuzdistanzscheibe 47 und
einen Drehkreuzschieber 48. Die Schiebeöse 45 erstreckt sich
durch das Drehkreuz 46 und ist mit Kraft in den Drehkreuzschieber 48 eingepresst,
wodurch das Drehkreuz 46 und die Drehkreuzdistanzscheibe 47 für eine Drehung gegenüber dem
Drehkreuzschieber 48 befestigt sind. An der Kreiselaufnahme 52 ist
die Kreiseldrehspindel 51 drehbar über Kreiselschwenkzapfen 53 gehaltert, die
durch Spindelschwenkbohrungen 54 hindurch laufen und in
Kreiselaufnahme-Zapfenbohrungen 55 eingepresst sind, die
an entgegensetzen Seiten der Kreiselaufnahme 52 ausgebildet
sind. Der Drehkreuzschieber 48 steht mit der Kreiseldrehspindel 51 über einen
Schieberverbindungsstift 56 in Wirkverbindung, der sich
durch Spindelverbindungsbohrungen 57 erstreckt und in einer
mit leichtem Untermaß ausgebildeten
Schieberverbindungsbohrung 58 gehalten ist. Eine Kreiselbefestigungsschraube 50 ist vorgesehen,
um die Kreiselaufnahme 52 am Ende der Schub-/Zugstange
22 zu sichern (in 6 gezeigt).
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In
der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht die Kreiseldrehspindel 51 aus
einer Aluminiumlegierung und ist mit einer Hartanodisierschicht
versehen, um der Kreiselbaugruppe 12 eine verschleißfeste Oberfläche zu bieten. Die
Spindelschwenkbohrungen 54 und die Spindelverbindungsbohrungen 57 sind
aus einem verschleiß-
und vibrationsfesten Material wie Nylon gebildet oder damit ausgekleidet.
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Es
geht weiter mit 8, die eine auseinander gezogene
Ansicht der Kreiselbaugruppe 12 ist, und Wellen 220 der
Kreiselarme 59, 67 zeigt, die sich durch eine
erste und zweite Wellenaufnahmeöffnung 252, 256 erstrecken,
die in den Schultern 234, 242 der Kreiselnabe 62 ausgebildet
sind, sowie Halterdurchgangsbohrungen oder -durchgänge 64,
die in den Delta-Antriebshaltern 60, 71 ausgebildet
sind. Die Kreiselarme 59, 67 sind fest mit den
Delta-Antriebshaltern 60, 71 verbunden und dadurch
mit der Kreiselnabe 62 drehfest verbunden. Die Delta-Antriebsstäbe 61, 73 sitzen
in Antriebsstabbohrungen 66 und sind deshalb schwenkbar
mit den Delta-Antriebshaltern 60, 71 verbunden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beträgt der
Delta-Steuerwinkel 65 62,6 Grad, so dass eine Verkippung
der Kreiselbaugruppe 12 um 15 Grad eine Veränderung
der Neigung der Kreiselflügel 218 von
ungefähr
12 Grad ergibt.
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Die
Delta-Antriebskomponenten sind so bezeichnet, weil der Delta-Steuerwinkel 65 die
Verkippung der Kreiselbaugruppe 12 mit der Neigungsbewegung
der Kreiselflügel 218 in
einer Art und Weise koppelt, die vom Konzept her den Delta-Gelenken
an einem Hauptrotor ähnelt
(Gelenkachsen an einem Hubschrauberrotor bezeichnet man allgemein
mit den griechischen Buchstaben Alpha, Beta, Gamma und Delta). Während die
Definition eines Delta-Gelenks an einem Rotor vielfach bekannt ist,
ist das Konzept des Verkoppelns der Kreiselverkippung mit der Kreiselflügelneigung,
und der Mechanismus zur Bewerkstelligung dieser Verkopplung, vollständig neu
und hier zum ersten Mal offenbart. Dieses Konzept ist auch ein Schlüsselunterschied
zwischen der vorliegenden Erfindung und der in dem '968er-Patent von
Arlton offenbarten Erfindung, bei der Federn verwendet werden, um
die gewichtsbelasteten Arme des Kreiselrotors in eine Nominalausrichtung
zurückzubringen.
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Eine
aerodynamische Zentrierung unter Verwendung von Kreiselflügeln 218 ist
besonders bei Anwendungen nützlich,
wo der Heckrotor (und demzufolge die Kreiselbaugruppe) über einen
weiten Bereich von Drehzahlen arbeiten muss. Während Rückstellfedern ungeachtet der
Drehzahl des Heckrotors immer dieselbe Rückstellkraft erzeugen, sind
Kreiselkräfte,
die ein Verkippen der Kreiselbaugruppe hervorrufen, und aerodynamische
Kräfte,
die durch zyklisch in der Neigung verstellte Flügel erzeugt werden, direkt
proportional zur Drehzahl. Im Ergebnis erzeugen die Kreiselflügel 218 Rückstellkräfte, die
in derselben Größenordnung
liegen wie die Kreiselkippkräfte,
die an der Kreiselbaugruppe 12 herrschen. Dies bedeutet,
dass das zeitliche Ansprechverhalten und die Gesamteffektivität des ganzen
Stabilisierungssystems im Wesentlichen unveränderlich sind, selbst wenn
sich die Drehzahl des Heckrotors ständig ändern sollte.
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Wie
durch 9 dargestellt ist, ist die Kreiselbaugruppe 12 für eine Drehung
an der Kreiseldrehspindel 51 gehaltert. Die Delta-Antriebsstäbe 61, 73 erstrecken
sich durch Drehkreuz-Laufbohrungen 44 in Drehkreuz-Antriebsarmen 43 des
Drehkreuzes 46 und sind verschiebbar in diesen Laufbohrungen gehaltert.
Die Schub-/Zugstange 22 erstreckt sich durch die Mitte
der Schiebeöse 45 und
ist mittels der Kreiselbefestigungsschraube 50 fest mit
der Kreiselaufnahme 52 verschraubt. Blattneigungszapfen 31 erstrecken
sich durch Neigungszapfenbohrungen 30 in den umgreifenden
Haltern 32, und sind in am Drehkreuz 46 befindlichen
Drehkreuzneigungs-Zapfenbohrungen 42 eingepresst.
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Der
Halterungsmechanismus 214 der Kreiselbaugruppe 12 umfasst
die Kreiselaufnahme 52, Kreiseldrehspindel 51 und
Kreiselnabe 62, wie zum Beispiel in den 2 – 4 und 7 gezeigt
ist. Die Kreiselaufnahme 52 ist mit der Schub/Zugstange 22 gekoppelt,
um sich zusammen mit dieser zu bewegen, wie beispielsweise in den 3 und 4 gezeigt
ist. Die Kreiseldrehspindel 51 umfasst eine mit der Kreiselaufnahme 52 gekoppelte
Basis 224 für eine
Kipp- oder Schwenkbewegung
um die Kreiselschwenkachse 120, sowie eine Nabenachse 226,
die an die Basis 224 angefügt und so angeordnet ist, dass
sie sich von den Heckrotorblättern 11 weg
erstreckt, wie zum Beispiel in den 7 und 9 gezeigt
ist.
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Die
Kreiselnabe 62 ist an der Nabenachse 226 für eine Drehung
um eine Kreiseldrehachse 134 relativ zur Kreiselaufnahme 52 und
Kreiseldrehspindel 51 angebracht, wie zum Beispiel in den 3, 4 und 9 gezeigt
ist. Die Kreiselnabe 62 umfasst eine mittige Ausnehmung 228,
die so bemessen ist, dass sie darin die Kreiselaufnahme 52 und
die Kreiseldrehspindel 51 aufnimmt, eine Nabenachsenaufnahme 230,
die so ausgebildet ist, dass sie eine Nabenachsen-Aufnahmeöffnung 232 umfasst,
die so bemessen ist, dass sie die Nabenachse 226 der Kreiseldrehspindel 51 aufnimmt,
eine erste Nabenschulter 234 mit einem ersten Ende 236,
das an die Nabenachsenaufnahme 230 angefügt ist,
und einem zweiten Ende 238, das vom ersten Ende 236 beabstandet
und so ausgebildet ist, dass es ein erstes Kreiselarmlager 240 aufweist,
und eine zweite Nabenschulter 242 mit einem ersten Ende 244,
das an die Nabenachsenaufnahme 230 angefügt ist,
und einem zweiten Ende 246, das vom ersten Ende 244 beabstandet
und so ausgebildet ist, dass es ein zweites Kreiselarmlager 248 umfasst,
wie zum Beispiel in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist.
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Die
Kreiselarmlager 240, 248 sind so ausgeführt, dass
sie die Kreiselarme 59, 67 für eine Drehung um die Kreiselrotor-Drehachse 134 haltern,
wie zum Beispiel in den 3, 4, 8 und 9 gezeigt
ist. Jedes Kreiselarmlager 240, 248 umfasst einen
ersten Finger 250, der so ausgebildet ist, dass er eine
erste Wellenaufnahmeöffnung 252 umfasst, und
einen zweiten Finger 254, der so ausgebildet ist, dass
er eine zweite Wellenaufnahmeöffnung 256 umfasst.
Der zweite Finger 254 ist so angeordnet, dass er in beabstandetem
Verhältnis
zum ersten Finger 250 liegt, so dass zwischen diesen ein
Halteraufnahmeraum 258 für den Kreiselarm gebildet ist,
wie beispielsweise in den 3, 4, 8 und 9 gezeigt
ist.
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Das
Neigungsverstellgestänge 216 umfasst den
ersten und zweiten Kreiselarmhalter 60, 71 und den
ersten und zweiten Antriebsstab 61, 73, wie zum Beispiel
in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist. Jeder Kreiselarmhalter 60, 71 umfasst eine
Hülse 260,
die so ausgebildet ist, dass sie einen Durchgang 64 aufweist,
der in der Größe so bemessen
ist, dass er die Welle 220 des Kreiselarms 59, 67 in
fester Position darin aufnimmt, und eine Antriebsstabverankerung 264,
die an die Hülse 260 angefügt ist,
wie beispielsweise in den 3, 4 und 8 gezeigt ist.
Jede Hülse 260 ist
so positioniert, dass sie in dem Halteraufnahmeraum 258 für den Kreiselarm
liegt, welcher Raum zwischen den ersten und zweiten Fingern 250, 254 an
der ersten bzw. zweiten Nabenschulter 234, 242 gebildet
ist, wie beispielsweise in den 3, 4 und 8 gezeigt
ist. Die Hülsen 260 drehen
sich relativ zur Kreiselnabe 62 um die Kreiselarm-Neigungsachsen 210, 212,
wenn die Kreiselarme 59, 67 um die Kreiselschwenkachse 120 kippen,
wie zum Beispiel in den 3 und 4 gezeigt
ist. Bei einer Relativdrehung zwischen den Hülsen 260 und der Kreiselnabe 62 drehen
sich die Kreiselarme 59, 67 um die Kreiselarm-Neigungsachsen 210, 212,
um die Neigung der Kreiselarme 59, 67 zu verändern, wie
zum Beispiel in den 3 und 4 gezeigt
ist.
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Die
Antriebsstäbe 61, 73 umfassen
jeweils einen ersten Abschnitt 266, der an der Antriebsstabverankerung 264 befestigt
ist, und einen zweiten Abschnitt 268, der verschiebbar
in die Öffnung 44 eingreift,
die im Drehkreuz 46 ausgebildet ist, wie zum Beispiel in
den 3, 4, 8 und 9 gezeigt
ist. Das Drehkreuz 46 ist ein Gestängeteil der mehreren Heckrotor-Neigungsgestängeteile 24,
wie zum Beispiel in den 3 und 4 gezeigt
ist. Der zweite Abschnitt 268 der Antriebsstäbe 61, 73 wird
in den Öffnungen 44 nach
vorne und hinten verschoben, wenn die Kreiselarme 59, 67 um
die Kreiselschwenkachse 120 kippen. Der Delta-Steuerwinkel oder
eingeschlossene Winkel 65 ist zwischen dem ersten Abschnitt 266 des
Antriebsstabs 61 und der Kreiselarm-Neigungsachse 210,
und zwischen dem ersten Abschnitt 266 des Antriebsstabs 73 und
der Kreiselarm-Neigungsachse 212 gebildet, wie beispielsweise
in 8 gezeigt ist. Aufgrund des Delta-Steuerwinkels 65 drehen
sich die Hülsen 260 der Kreiselarmhalter 60, 71 um
die Kreiselarm-Neigungsachsen 210, 212, um die
Neigung der Kreiselarme 59, 67 zu verändern, wenn
diese um die Kreiselschwenkachse 120 relativ zu den Antriebsstäben 61, 73 kippen
und sich die Antriebsstäbe 61, 73 in
den im Drehkreuz 46 ausgebildeten Öffnungen 44 verschieben,
wie beispielsweise in den 3 und 4 gezeigt
ist. Allgemein ausgedrückt
veranlasst der Delta-Steuerwinkel 65 eine Neigungsverstellung
der Kreiselarme 59, 67, wenn diese um die Kreiselschwenkachse 120 relativ
zu den Antriebsstäben 61, 73 verkippen.
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Eine
wichtige Konstruktionsüberlegung
bei Verwendung von mechanischen Seitensteuerungsstabilisierungssystemen
ist die Kraft, die zur Betätigung
der Heckrotorblätter 11 benötigt wird.
Die Betätigungskraft
eines mechanischen, kreiselgestützten Stabilisierungssystems
ist bestimmt durch die Drehzahl, Größe und Masse des Kreiselrotors
(z.B. der Kreiselbaugruppe). Bei einer bestimmten, gegebenen Drehzahl
für den
Heckrotor machen hohe Betätigungskräfte große und/oder
schwere Kreiselrotoren notwendig. Die Betätigungskräfte für das Rotorblatt müssen von
daher niedrig gehalten werden, um Größe und Gewicht des Kreiselrotors
zu minimieren.
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Bei
leichten, bemannten Hubschraubern wird die mechanische Kraft, die
zur Betätigung
der Heckrotorblätter 11 (z.B.
zur Veränderung
der kollektiven Neigung) erforderlich ist, dadurch erzeugt, dass der
Pilot mit seinen Beinen gegen die Fußpedale tritt. Bei schwereren
Hubschraubern können
die Lagerreibung und die durch die Heckrotorblätter erzeugten aerodynamischen
Kräfte
zu hoch werden, als dass sie der Pilot überwinden könnte. Schwere Hubschrauber
sind deshalb oftmals mit Kraftunterstützungsvorrichtungen wie zum
Beispiel Hydrauliksystemen ausgestattet, um die Steuerbefehle des
Piloten zu verstärken.
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Das
Gewicht von Kraftunterstützungsvorrichtungen
ist in etwa proportional zu den Kräften, die sie entwickeln müssen. Bei
allen Hubschraubern ist die Minimierung von steuerungsseitigen Belastungen
erwünscht,
da dann die Arbeitsbelastung für
den Piloten, Gestängekräfte sowie
das Gewicht von Stellgliedern verringert werden können.
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Aus
konstruktionsbedingten Gründen
und wegen der Einfachheit und auch, um Betätigungskräfte zu minimieren, werden an
Heckrotorblättern von
Hubschraubern herkömmlicher
Weise symmetrische Flügelprofile
mit einem wie in 10A gezeigten Schnitt 74 verwendet,
und mit einfachen (rechteckigen) Draufsichten mit konstant langer
Sehne. Während
sie einfach zu bauen sind, setzen diese Rotoren die Leistung nicht
sehr effizient ein. Da Hubschrauber relativ kleine Nutzlastkapazitäten haben, können sogar
kleine Steigerungen bei der Rotorleistung zu großen prozentualen Veränderungen
bezüglich
der Nutzlastkapazität
führen.
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Gewölbte Flügelprofile
wie das Profil 75 mit gekrümmter Wölbungslinie 76, in 10B gezeigt, können
das Hubkraftpotenzial eines Rotorblatts beträchtlich steigern. Gewölbte Profile
haben jedoch einen Nachteil: die Krümmung des Profils bringt dieses dazu,
seine Neigung in Richtung auf negative Anstellwinkel zu verändern. Diese
Neigungstendenz kann dazu führen,
dass sich das Rotorblatt verwindet und hohe Kräfte auf das Rotorneigungs-Steuerungsgestänge (und
dementsprechend auf die Beine des Piloten) ausübt.
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Eine
Heckrotorkonstruktion, in der gewölbte Profile mit Erfolg verwendet
werden, ist in einer technischen Abhandlung mit dem Titel "Increasing Tail Rotor
Thrust and Comments on Other Yaw Control Devices" beschrieben, das von Frank Robinson
im Jahre 1970 im Journal of the American Helicopter Society veröffentlicht
wurde. Bei dieser Konstruktion gleicht die Zentrifugalkraft, die
durch den Schwerpunkt des Blatts wirkt, die unerwünschten
und beständig
wirkenden aerodynamischen Kräfte
des gewölbten
Profils aus. Ein Nachteil des Lösungsansatzes
von Robinson besteht darin, dass der Schwerpunkt des Blatts sehnenweise
gezielt gesetzt werden muss. Einige Blattherstellungstechniken wie zum Beispiel
Kunststoffspritzen sind in Bezug auf diese Einschränkung nicht
sehr gut geeignet.
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Am
Heckrotorblatt 11 der vorliegenden Erfindung ist das aerodynamische
Moment eines gewölbten
Profils durch andere Kräfte
ausgeglichen, und es erfordert keine sehnenweise Steuerung des Blattschwerpunkts;
es bestehen auch keine räumlichen Einschränkungen
mit Blick auf die Rotorkegelbildung (engt.: coning) oder das Rotorschlagen.
Das Heckrotorblatt 11 gleicht das Neigungsmoment des gewölbten Profils
durch eine positive aerodynamische Hubkraft aus, die vor der Blattneigungsachse 81 liegt. Durch
den Einsatz von gewölbten
Profilen und ausgeglichenen aerodynamischen Kräften und Zentrifugalkräften sind
sowohl die Leistungsanforderungen bezüglich des Heckrotors als auch
die Arbeitsbelastung des Piloten reduziert.
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In 11A ist eine Blattauftriebsmittelpunktslinie 84 gezeigt,
welche diejenigen Positionen jeder über die Spannweite betrachteten
Stelle des Heckrotorblatts 11 zwischen dem Blattfuß 122 und der
Außenkante 158 verbindet,
die 25 % der Sehne entsprechen. Wie einem Fachmann auf diesem Gebiet
hinlänglich
bekannt ist, sitzt die aerodynamische Mitte (auch Auftriebsmittelpunkt
genannt) eines herkömmlichen
Profilquerschnitts allgemein an einer Stelle hinter der Vorderkante 82 des
Profilquerschnitts, die 25 % der Sehnenlänge beträgt, und zwar ungeachtet der
Form des Profilquerschnitts. Die Auftriebsmittelpunktslinie 84 stellt
daher die aerodynamischen Mitten aller Profilquerschnitte des Heckrotorblatts 11 dar.
In 11A sieht man, dass die Positionen der 25 %-Sehnenlänge an jeder über die
Spannweite gesehenen Stelle des Heckrotorblatts 11 zwischen
der Neigungsachse 81 und der Vorderkante 82 liegen,
so dass der in seiner Gesamtheit betrachtete aerodynamische Auftriebsmittelpunkt 80 des
Heckrotorblatts 11 zwischen der Neigungsachse 81 und
der Vorderkante 82 liegt.
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Um
die funktionsmäßigen Einzelheiten
eines Heckrotorblatts 11 zu verstehen, ist es am einfachsten,
die Blattform in Schritten zu entwickeln. Die in 11A gezeigte Draufsicht des Heckrotorblatts 11 lässt sich
aus einer standardmäßigen, rechteckigen Draufsicht
erzeugen, indem am Aufbau eine Reihe von Modifikatio nen vorgenommen
werden. Die Vorderkante 82 des Blatts ist in Drehrichtung 13 nach vorne
gezogen, um den Auftriebsmittelpunkt 80 (an dem sich angenommener
Weise alle aerodynamischen Hubkräfte
konzentrieren) des Blatts so zu positionieren, dass er vor der Neigungsachse 81 liegt. Schubkräfte am Blatt,
die durch einen versetzten Auftriebsmittelpunkt 80 wirken,
neigen dazu, sich dem abwärts
gerichteten Neigungsmoment der gewölbten Profilschnitte zu widersetzen,
solange sie mit einem positiven Anstellwinkel betrieben werden.
Diese Schubkräfte,
die mit größer werdendem
Anstellwinkel zunehmen, können
auch dazu beitragen, den natürlichen
Massenfederungseffekt (oder "Tennisschläger"-Effekt) zu kompensieren,
der Fachleuten auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht,
hinlänglich
bekannt ist.
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Ohne
weitere Modifikation könnte
das Heckrotorblatt 11 eine Neigungsdivergenz (Instabilität des Anstellwinkels)
zeigen und zum Flattern tendieren oder dazu, schnell zwischen einer
positiven und einer negativen Neigung zu wechseln. Um das Potenzial bezüglich Flatterns
zu reduzieren, ist die Blattspitze 83 (ab der Stelle, die
ungefähr
70 % der halben Spannweite beträgt)
nach hinten geschwungen. Diese geschwungene Spitze kann auch bei
Blättern
mit Spitzen vorteilhaft sein, die so ausgelegt sind, dass sie bei
hohen Mach-Zahlen betrieben werden (wie der Fachmann verstehen wird).
Die Blattspitze 83 verjüngt
sich und das gesamte Blatt ist linear um 8 bis 10 Grad verdreht,
um den induzierten Widerstand zu verringern.
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11F zeigt, dass ein herkömmliches, gestreckt ausgeführtes Heckrotorblatt 87 zur
Verschiebung des Auftriebsmittelpunkts des Blatts nach vorne so
modifiziert werden kann, dass ein Aufschlag 88 an die Vorderkante
angesetzt wird.
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Da
die auf den Auftriebsmittelpunkt 80 wirkende aerodynamische
Kraft nichts anderes als die durch das Heckrotorblatt 11 erzeugte
Hubkraft ist, und da der Hub proportional zum Anstellwinkel ist, hängt die
dem Neigungsmoment des Profils entgegenwirkende Kraft vom Anstellwinkel
des Blatts ab. An die Blatthalter 32 werden kleine Ausgleichsgewichte 33 angesetzt,
um die Blattneigungskräfte über einen
großen
Anstellwinkelbereich auszugleichen. Ausgleichsgewichte umfassen
Trimmgewichtsschrauben 34, die in einem Gewichtsaufnahmeabschnitt 38 der
umgreifenden Halter 32 sitzen, wie zum Beispiel in den 3, 4, 5A, 5B, 6 und 9 gezeigt
ist. Die reale Größe und der Anbringungsort
der Ausgleichsgewichte 33 hängt von der Konstruktion und
Massenverteilung der Heckrotorblätter 11 ab.
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Wie
beispielsweise in den 3, 4, 5A, 5B, 6 und 9 gezeigt
ist, greift die Trimmgewichtsschraube 34 an dem Gewichtshalteabschnitt 38 des
umgreifenden Halters 32 an und steht somit in Wirkverbindung
mit dem Heckrotorblatt 11. Die Trimmgewichtsschraube 34 ist
von der Oberseite 144 und der Unterseite 148 zur
Hinterkante 142 des Heckrotorblatts 11 hin versetzt
angeordnet, wie in den 3 und 4 gezeigt
ist. Das Rotorblatt 11 umfasst eine Ebene 176,
die sich im Wesentlichen senkrecht zur Unterseite 148 und
Oberseite 144 erstreckt und durch die Rotorblatt-Neigungsachse 81 läuft, wobei
die Trimmgewichtsschraube 34 von der Ebene 176 wie
in 11A gezeigt versetzt angeordnet ist. Die 13 – 15 zeigen
das Heckrotorblatt 11 verbunden mit dem C-förmigen,
umgreifenden Halter 101, der einen Halterantriebsarm 100 aufweist,
der an der Unterseite 148 des Heckrotorblatts 11 von
einer Heckrotordrehebene 146 zur Blattvorderkante 82 des
Heckrotorblatts 11 hin versetzt angeordnet ist.
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Die
Trimmgewichtsschraube 34 schwenkt von der Heckrotorachse 14 radial
nach außen,
wenn das Heckrotorblatt 11 auf einen größeren Neigungswinkel angestellt
wird, in 3 gezeigt, und nach innen in
Richtung zur Heckrotorachse 14, wenn das Heckrotorblatt 11 auf
einen kleineren Neigungswinkel angestellt wird, in 4 gezeigt.
Die Trimmgewichtsschraube 34 umfasst einen Kopf 180 und
einen Gewindeschaft 178, wie in 5A gezeigt
ist.
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Das
Heckrotorblatt 11 braucht nicht starr an den umgreifenden
Haltern 32 angeschlossen zu sein, und diese Halter müssen auch
nicht in umgreifender Konstruktion ausgeführt sein. Als alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
die Heckrotorblätter 11 zum
Verschwenken nach vorne oder nach hinten am Fuß angelenkt sein, wobei der Blattauftriebsmittelpunkt 29 dann so
gesetzt wird, dass sich eine Lage des Rotorblatts 11 in
der gewünschten
Ausrichtung ergibt, wenn es sich mit Flugdrehzahl dreht. Zusätzlich können die
umgreifenden Halter 32 durch standardmäßige Heckrotor-Blatthalter
mit mehreren Kugellagern ersetzt werden, jedoch mit zusätzlichen
Kosten.
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Es
ist festzuhalten, dass Blattquerschnitte nicht unterseitig gekrümmt sein
müssen,
um aus dem Kräfteausgleichsverfahren
der vorliegenden Erfindung Nutzen zu ziehen. Die Blattkonfiguration
der vorliegenden Erfindung kann auch dazu verwendet werden, die
Massenfederungskräfte
("Tennisschläger"-Kräfte) auszugleichen,
die an Blättern
mit symmetrischen Profilen herrschen, und kann auch bei Rotorsystemen
verwendet werden, die keine Heckrotoren sind, wie zum Beispiel an
Hauptrotorsystemen mit unterseitig gekrümmten Profilen.
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Die
in 11A bis 11E gezeigten
Profile sind für
den Einsatz an sehr kleinen Modellhubschraubern gedacht, die bei
Reynolds-Zahlen von unter 50.000 arbeiten (wie ein Fachmann auf
diesem Gebiet verstehen wird). Die mit 11B bis 11E bezeichneten Querschnitte sind 15 %, 4,7 %,
4,6 % bzw. 6,8 % dick (gemessen als Prozentwert der Sehne), und
auf 20 Grad, 17 Grad, 13 Grad bzw. 10 Grad angestellt (von der Horizontalen
weg gemessen). Profile, die für
größere Anwendungen
gedacht sind, sollten auf Basis der speziellen Mach- und Reynolds-Zahlen
ausgewählt
werden, die mit der Anwendung in Zusammenhang stehen (wie es dem
Fachmann auf diesem Gebiet geläufig
ist).
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Die
Außenkante 158 ist
entlang der Blattneigungsachse 81 von der Heckrotor-Drehachse 14 um eine
vorbestimmte Strecke beabstandet und bildet wie in 11A gezeigt eine Stelle, die 100 % der Halbspannweite
entspricht. Eine bestimmte Halbspannweitenstelle wird als Prozentsatz
der Strecke entlang der Blattneigungsachse 81 von der Heckrotor-Drehachse 14 bis
zur Außenkante 158 bezeichnet.
Von 11A ausgehend gemessen, liegen
die Profilquerschnitte der 11B, 11C, 11D und 11E bei ungefähr
16 %, 40 %, 70 % bzw. 100 % der Halbspannweite des Rotorblatts 11,
wie es zum Beispiel in 11A gezeigt
ist. Die Stellen, die 100 %, 70 %, 40 % und 16 % der Halbspannweite entsprechen,
umfassen eine erste, zweite, dritte und vierte Sehnenlänge 160, 162, 164 bzw. 166,
und eine erste, zweite, dritte und vierte Dicke 168, 170, 172 bzw. 174,
wie in den 11B – 11E gezeigt
ist. Auch von 11A ausgehend gemessen, beträgt die Oberfläche des
Heckrotorblatts 11, die zwischen den Schnitten 11B und 11C vor
der Neigungsachse 81 liegt, ca. 41 % der Gesamtoberfläche zwischen diesen
beiden Schnitten 11B, 11C. In entsprechender Weise
liegen ungefähr
47 % der Oberfläche
des Heckrotorblatts 11 zwischen den Schnitten 11C und 11D vor
der Neigungsachse 81, ungefähr 54 % der Oberfläche des
Heckrotorblatts 11 zwischen den Schnitten 11D und 11E liegen
vor der Neigungsachse 81, und ungefähr 48 % der Gesamtfläche des
Heckrotorsblatts 11 zwischen den Schnitten 11B und 11E liegen
vor der Neigungsachse 81. Der Blattauftriebsmittelpunkt 80 liegt
an einer Stelle, die ungefähr
70 % der Halbspannweite beträgt
und durch die der Schnitt 11D hindurch läuft. Wie
in 11A gezeigt ist, liegt der Blattauftriebsmittelpunkt 80 an
dem Profilquerschnitt, der bei 70 % der Halbspannweite liegt, und
ist von der Neigungsachse 81 um eine Strecke 182 beabstandet.
Die Strecke 182 beträgt
ungefähr
28 % der Sehnenlänge 162 am
Profilquerschnitt bei 70 %iger Halbspannweite. Der aerodynamische
Auftriebsmittelpunkt, der an der Stelle liegt, die 100 % der Halbspannweite
beträgt,
und der auf der Blattauftriebsmittelpunktslinie 84 liegt,
ist um eine Strecke 184 von der Blattneigungsachse 81 entfernt,
wie es in 11A gezeigt ist. Die Strecke 182 ist
größer als die
Strecke 184.
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Dünne Profile
wie die in 11C – E gezeigten, und Profile,
die für
den Einsatz bei niedrigen Drehzahlen gedacht sind (wie bei sehr
kleinen Hubschraubern), können
Nutzen aus Wirbelstreifen wie dem Wirbelgenerator 150 in 16 ziehen,
der an die Oberseite des Profils 75 angefügt gezeigt
ist. Wirbelgeneratoren sind dünne,
erhabene Materialstreifen, die über
die Spannweite nahe der Vorderkante eines Profils (oben und/oder
unten) verlaufen und bewirken, dass der Luftstrom über die
Oberfläche
des Profils turbulent wird und besser am Profil anhaftet. Wirbelgeneratoren
können
den Luftwiderstand verringern, der von einigen Profilen erzeugt
wird, die bei bestimmten (insbesondere niedrigen) Drehzahlen arbeiten,
wo der Luftstrom dazu neigt, sich von der Oberfläche abzulösen. Während Wirbelgeneratoren an
einigen Fluggeräten
mit festen Tragflügeln
zur An wendung gekommen sind, sind Wirbelgeneratoren an Hubschrauberrotorblättern neu,
da die meisten derzeit erhältlichen
Hubschrauber relativ große,
mit hoher Drehzahl laufende Rotoren verwenden, wo Wirbelgeneratoren
nicht von Vorteil sind.
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Die 17A und 17B zeigen
verschiedene Wirbelgeneratorkonfigurationen an einem Heckrotorblatt 11.
Ein gestreckter Wirbelgenerator 156 und ein zickzackförmiger Wirbelgenerator 157 sind
ungefähr
um 10 % bis 20 % von der Vorderkante 82 des Heckrotorblatts 11 nach
hinten versetzt, haben ungefähr
1 % der Breite und 0,2 % der Höhe
(wobei sich die Prozentangaben auf die jeweilige Profilsehnenlänge bezieht).
Die tatsächliche
Position der Wirbelgeneratoren 156 und 157 hängt von
den Profilen, dem Betriebsanstellwinkel und der Betriebsdrehzahl
des Heckrotorblatts 11 ab.
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Die 18A und 18B zeigen
ein Hauptrotorblatt 17 mit einem Blattfuß 160 und
einer Blattspitze 161. An ausgewählten Stellen der Spannweite sind
verschiedene Profilquerschnitte des Blatts 17 in 18C bis 18G gezeigt.
Arlton offenbarte in der US-Anmeldung Nr. 08/233,159 Profile zum
Einsatz an einem Hauptrotorblatt eines Hubschraubers. Die bevorzugte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet vorteilhafter Weise ausgewählte Profile
und einen Wirbelstreifen, um ein Rotorblatt mit überlegenen Eigenschaften bereitzustellen,
das bei einer an der Blattspitze herrschenden Reynolds-Zahl von
ungefähr
100.000 und darüber
arbeitet.
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Der
Profilschnitt 164 ist ein dicker Schnitt, der dazu ausgelegt
ist, den Blattfuß 160 mit
dem Profilschnitt 165 zu verbinden. Wie dargestellt ist,
sind die Schnitte 165 und 166 Sokolov-Profile
mit einer 7,1 %igen Dicke und 6 %igen Wölbung sowie mit einem Wirbelstreifen 158,
der an der Oberseite an einer Stelle angebracht ist, die 10 % der
Sehne entspricht (wie von Dieter Althaus in seinem Buch "Profilpolaren für den Modellflug" beschrieben wurde,
von C.F. Müller
in Deutschland veröffentlicht).
Es sollte klar sein, dass die Schnitte 165 und 166 andere Schnitte
in ähnlicher
Dicke (4 % – 8
%) sein können, die
für den
Einsatz bei niedrigen Reynolds-Zahlen von beispielsweise unterhalb
60.000 entwickelt wurden.
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Der
Wirbelgenerator 158 erstreckt sich über den innen liegenden Abschnitt
des Hauptrotorblatts 17, wo der Luftstrom dazu neigt, sich
von der Oberfläche
abzulösen
(weil der innen liegende Abschnitt eines sich drehenden Rotorblatts
langsamer läuft
als der außen
liegende Abschnitt). Der außen
liegende Abschnitt 159 des Blatts 17 läuft mit
höherer
Geschwindigkeit und hat einen Profilschnitt, der so gewählt ist,
dass die Wahrscheinlichkeit einer Luftströmungsablösung verringert ist. Bei der
bevorzugten Ausführungsform
ist das Rotorblatt 17 aus geformtem Kunststoff und der
Wirbelgenerator 158 ist eine angeformte Einzelheit des
Blatts 17.
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Im
außen
liegenden Bereich 159 des Blatts 17 geht der Schnitt 166 in
den Schnitt 167 über,
wobei der Schnitt 167, wie dargestellt ist, ein SD7037-PT-Profil
mit 9,2 % Dicke und 3 % Wölbung ist,
das von Michael Selig et al. zum Einsatz bei niedrigen Reynolds-Zahlen
entwickelt wurde (beschrieben in Soar Tech 8, veröffentlicht
von H.A. Stokely aus Virginia Beach, Virginia, USA). Es sollte klar
sein, dass der Schnitt 167 ein anderer, ähnlich gearteter Schnitt
sein kann, der für
den Einsatz im Bereich von niedrigen Reynolds-Zahlen wie beispielsweise 50.000
bis 100.000 entwickelt wurde.
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Der
Schnitt 167 geht in den Schnitt 168 über, der
ein Profil mit 4 % bis 9 % Dicke und mit geringer Wölbung zur
Verwendung als Spitze mit geringem Luftwiderstand ist. Die Draufsicht
des Rotorblatts 17 verjüngt
sich, und das Blatt ist um 10 bis 14 Grad vom Fuß bis zur Spitze verdreht (ausgelaufen),
um eine höhere
aerodynamische Effizienz zu erreichen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
werden die Heckrotorblätter 11 für Modellhubschrauber aus
Kunststoff wie Nylon geformt, und bei Hubschraubern in natürlicher
Größe können sie
mit Faserverbundaußenhäuten wie
zum Beispiel aus Kevlar/Kohlenstoff über einem geschäumten oder
wabenprofilartigen Kern gebildet und mit Epoxidharz verklebt sein.
Schräg
liegende Querfasern können dazu verwendet
werden, Torsionsbelastungen über die
Blattspannweite hinweg zu verteilen.
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Es
sind viele Veränderungen
der vorliegenden Erfindung angedacht. In den 12 – 14 ist eine
alternative Ausfüfrungsform
beschrieben, wobei ein Kreiselrotor 94 Kreiselrotorblätter 91 anstelle
der Kreiselflügel 59 aufweist,
sowie Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 anstelle der
Delta-Antriebsstäbe 61, 73. 12 ist 2 ähnlich und
zeigt den alternativen Heckrotor des Hubschraubers 10.
Die augenfälligsten
Merkmalsunterschiede dieser alternativen Ausführungsform sind Kreiselrotorblätter 91, an
denen kollektiv und in Gleichklang mit den Heckrotorblättern 11 die
Neigung verstellt wird, und diese somit ein sekundäres, Schub
erzeugendes Rotorsystem bilden.
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Durch
eingehende Betrachtung von 13, die
eine auseinander gezogene Ansicht der in 12 gezeigten
Ausführungsform
ist, lässt
sich ersehen, dass bei der alternativen Ausführungsform viele Elemente der
vorliegenden Erfindung in Form und Funktion unverändert sind.
Das Drehkreuz 99 ähnelt
dem Drehkreuz 46, wobei es jedoch keine Drehkreuzantriebsarme 43 hat.
Umgreifende Halter 101 haben Antriebsarme 100,
die die Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 aufnehmen.
Eine Kreiselrotornabe 93 greift an den Kreiselrotorblättern 91 in
Blattaussparungen 96 am Fuße jedes Kreiselrotorblatts 91 ein. Die
Kreiselrotorblätter 91 sind
schwenkbar an der Kreiselrotornabe 93 befestigt, und zwar über Kreiselneigungszapfen 95,
die sich durch Blattzapfenbohrungen 97 am Fuß der Kreiselrotorblätter 91 sowie durch
Nabenzapfenbohrungen 98 in den Armen der Kreiselrotornabe 91 erstrecken.
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Mit
nunmehrigem Bezug auf 14, die 3 ähnlich ist
und die Auswirkung von vom Piloten stammenden Steuerbefehlen auf
den Heckrotor darstellt, stehen die Kreiselbaugruppe 94 und
das Heckrotorblatt-Neigungsgestänge 24 in
Wirkverbindung mit der Schub-/Zugstange 22 und bewegen
sich zusammen mit dieser. Der Kreiselrotor 24 wird über die Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 angetrieben, die
mit den Halterantriebsarmen 100 verbunden sind. Eine Betätigung der
Schub-/Zugstange 22 in Richtung des Steuerbefehlspfeils 19 bringt das
Heckrotorblatt 11 auf einen größeren Anstellwinkel, wie durch den
Steuerneigungspfeil 25 gezeigt ist. Gleichzeitig wirken
die Halterantriebsarme 100 auf die Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 ein,
so dass die Kreiselrotorblätter 91 kollektiv
auf einen größeren Anstellwinkel
eingestellt werden. Sowohl die Hauptheckrotorblätter als auch die sekundären Kreiselrotorblätter erzeugen
dadurch einen zum Manövrieren
nutzbaren Schub.
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Zu 15 übergehend,
die eine Ansicht ähnlich
der in 4 ist, und in der die Auswirkung einer Gierbewegung
auf die Kreiselbaugruppe 94 dargestellt ist, wird durch
eine Gierbewegung des Hubschraubers 10 die Kreiselbaugruppe 94 mit
Gierkräften
beaufschlagt, wodurch der Kreiselrotor 94 eine Bewegung
in Präzessionsrichtung 27 ausführt (verkippt).
Durch ein Verkippen des Kreiselrotors 94 werden die Heckrotorblätter 11 auf
einen neuen Anstellwinkel eingestellt, wie durch den Stabilisierneigungspfeil 26 gezeigt
ist. Die Halterantriebsarme 100 wirken auf die Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 ein,
um die Kreiselrotorblätter 91 kollektiv
auf einen neuen Anstellwinkel einzustellen. Dieser neue Anstellwinkel
sowohl des Haupt- als auch des sekundären Rotorsystems, und die zugehörige Veränderung der
Schubkraft, setzen sich der ursprünglichen Gierbewegung des Hubschraubers 10 entgegen.
Weil die Kreiselantriebs-Kugelgelenke 90 leicht
von der Kippachse oder Kreiselschwenkachse 120 des Kreiselrotors 94 (definiert
durch in 7 gezeigte Kreiselzapfen 53)
versetzt sind, werden auch die Kreiselrotorblätter 91 zyklisch in
der Neigung verstellt (zweimal pro Umdrehung), wenn der Kreiselrotor 94 verkippt.
Das sich ergebende aerodynamische Moment bringt den Kreiselrotor 94 in
eine vertikale Nominalausrichtung zurück.
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Wie
beispielsweise in den 12 – 15 gezeigt
ist, bilden der umgreifende Halter 101, der Halterantriebsarm 100 und
die Kugelgelenk-Antriebsverbindung 92 ein scherenartiges
Gestänge 108.
Der umgreifende Halter 101 und der Halterantriebsarm 100 bilden
zusammen eine erste Verbindung, die über Heckrotorblatt-Drehbolzen 35 schwenkbar
mit der Heckrotornabe 39 und mit der Antriebsverbindung 92 am
Scherenverbindungspunkt 109 verbunden sind. Die Antriebsverbindung 92 bildet
eine zweite Verbindung, die am Kreiselantriebs-Kugelgelenk 90 mit dem Kreiselrotor 94 verbunden
ist.
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Die
Halterantriebsarme 100 und die Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 gehen
auseinander bzw. ziehen sich relativ zueinander zusammen, wenn der
Kreiselmechanismus 94 verschwenkt, um die Neigung der Heckrotorblätter 11 und
der Kreiselrotorblätter 91 zu
verändern,
wie in den 14 und 15 gezeigt
ist. Die Halterantriebsarme 100 und die Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 übertragen
weiterhin die Drehbewegung auf den Kreiselmechanismus 94,
wenn die Halterantriebsarme 100 und Kugelgelenk-Antriebsverbindungen 92 relativ
zueinander auf- bzw. zumachen. Wie am besten in den 14 und 15 zu
sehen ist, kann das Scherengestänge 108 eine
Drehbewegung auf den Kreiselrotor 94 übertragen, während der
Kreiselrotor 94 um die Kreiselschwenkachse 120 kippt
und während sich
der Abstand zwischen dem Kreiselrotor 94 und der Heckrotornabe 39 verändert.
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Es
ist festzuhalten, dass die durch die Kreiselrotorblätter 91 erzeugten
Schubkräfte
auf die Schub-/Zugstange 22 und alle zugeordneten Heckrotor-Steuergestängeteile übertragen
werden. Diese Gestängeteile
müssen
daher so ausgelegt sein, dass sie einer Schubbelastung standhalten.
Es wäre
auch festzuhalten, dass es an einer Kugelgelenk-Antriebsverbindung 92 erforderlich
sein kann, an beiden Enden Kugelgelenke vorzusehen, um ein Verklemmen des
Gestänges
zu verhindern.
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Es
sind alternative Ausführungsformen
angedacht, bei denen die Kreiselrotorblätter 91 durch Flügel ersetzt
sind, die den Kreiselflügeln 59 ähnlich sind.
Solche Ersatzflügel
können
in ihrer Neigung verstellt werden, um den aerodynamischen Luftwiderstand
zu minimieren sowie auch jegliche Schubkräfte, die auf die Schub-/Zugstange 22 übertragen werden.