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Autorotationsfähiger Hub- und Flugschrauber Die bisher bekannten Drehflügelflugzeuge
(Rotorflugzeuge) lassen sich neben ihrer Einteilung in Hub-, Flug- und Tragschrauber
in solche mit Rotoren größeren Durchmessers, geringer Blattzahl und relativ niedriger
Drehzahl ohne Ummantelung und in solche mit Rotoren meist geringeren Durchmessers,
größerer Blattzahl und relativ hoher Drehzahl mit Ummantelung, die auch als »Ringflügel«
bezeichnet wird, aufgliedern.
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Die Luftschraube als freier, nicht ummantelter Rotor ist als Vorschlag
Leonardo d a Vincis bekannt und wurde 1907 erstmalig durch die Gebrüder B r eg u
e t in technisch brauchbarer Form verwirklicht. Die ummantelte Luftschraube wurde
I9Io als Ringflügel-Flugzeug von August Klein erstmalig ausgeführt.
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In der Hub- und Tragschrauberentwicklung setzte sich bisher der Rotor
ohne Ummantelung durch. Sein Hauptvorteil liegt darin, daß er infolge der geringen
Kreisflächenbelastung Fluggewicht/ Rotorfläche und aerodynamisch hochwertiger Blattschlankheit
imstande ist, bei Triebwerksausfall einen Gleitflug oder Abstieg mit geringer Sinkgeschwindigkeit
auszuführen. Dabei führen die Rotoren, deren Blatteinstellwinkel auf etwa 4° vermindert
werden muß, eine Autorotation aus, d.h., sie werden allein vom Fahrtwind in Rotation
versetzt.
Diese Möglichkeit stellt einen ganz wesentlichen Sicherheitsfaktor für diese Drehflügelflugzeuge
dar. Weitere Vorteile der nicht ummantelten Rotoren sind, daß ihre Blätter sowohl
starr als gelenkig angeschlossen werden können, während bei der ummantelten Schraube
praktisch nur ein starrer Anschluß der Blätter möglich ist. Freie Rotoren können
dadurch erheblich leichter ausgeführt werden. Die zyklische Verstellung des Blatteinstellwinkels,
wie sie für einrotorige Drehflügler und solche mit gelenkig angeschlossenen Blättern
angewandt wird, bringt den Vorteil eines ruhigen Laufes und leichter Steuerbarkeit
um alle Achsen mit sich. Im Schwebeflug ist beim nicht ummantelten Rotor und gelenkig
angeschlossenen Blättern statische Stabilität leicht zu erreichen, während die bisher
gebauten Hubschrauber fast durchweg dynamische Instabilität aufweisen, die durch
die Strahlablenkung nur unwesentlich verringert wird. Durch konstruktive Maßnahmen,
wie Schräggelenke, Hilfsflügel und Trägheitswirkung umlaufender Massen, werden lediglich
die Schwingungszeiten verlängert. Im schnellen Vorwärtsflug weisen die Hubschrauber
mit gelenkig angeschlossenen Blättern dynamische Fahrtstabilität auf, sind jedoch
fast durchweg mit dem Anstellwinkel instabil. Ein ausgesprochener Mangel der Hub-
und Flugschrauber mit nicht ummantelten Rotoren ist die relativ geringe Flächenbelastung
der Flügelblätter. Da ferner bei gelenkig angeschlossenen Blättern eine Gegenlaufanordnung
zweier Rotoren koaxial in geringem Abstand nicht möglich ist, kommt der Drallverlust
des Abstromes und der notwendige Ausgleich des freien Drehmomentes als Leistungsverlust
hinzu. Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Drehflügler mit nicht ummantelten
Rotoren ist ihre relativ geringe Vorwärtsgeschwindigkeit, die sie trotz bester aerodynamischer
Gestaltung erreichen können. Der Hauptgrund dafür ist, daß die Rotoren in Flugrichtung
geneigt werden müssen, um eine Schubkomponente in Flugrichtung zu erzielen. Dabei
wächst der Widerstand der Rotoren rasch mit wachsender Neigung an, während gleichzeitig
der Wirkungsgrad abfällt. Außerdem steigt die Laufunruhe und die Amplitude der Schlagbewegung
bei gelenkig angeschlossenen Blättern und damit die Beanspruchung auf Wechselfestigkeit.
Hierin ist einer der Gründe zu suchen, daß sich der Drehflügler mit freien Rotoren
bisher praktisch nur als Hubschrauber durchsetzte, jedoch nicht als Flugschrauber.
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Diese Nachteile ließen in letzter Zeit verschiedene Konstrukteure
nach Wegen sucheng den Flugschrauber mit hoher Vorwärtsgeschwindigkeit zu verwirklichen.
Ein Weg dazu ist der Kombinationsflugschrauber, bei dem im Vorwärtsflug eine feste
Tragfläche den nötigen Auftrieb liefert und die Rotoren so geneigt werden, daß sie
im wesentlichen nur noch Vortrieb liefern. Ein anderer Weg ist der, den Vortrieb
durch eine normale Luftschraube oder Strahlantrieb zu erzeugen und die Rotoren lediglich
als Tragschrauben arbeiten zu lassen. Hier interessiert vor allem, daß einige dieser
Lösungen ummantelte Schrauben ohne zusätzliche freie Rotoren und ohne feste ebene
Tragflügel vorsehen. Kennzeichnend für sie ist, daß Gegenlaufschrauben mit großer
Blattzahl, relativ hoher Drehzahl, hoher Blattbelastung benutzt werden und die Ummantelung
im Senkrechtstart den Standschub erhöhen soll. Nach einem Start mit Leistungsüberschuß
soll dann möglichst rasch ohne die Anwendung zyklischer Blattverstellung in eine
Fluglage übergegangen werden, bei der der Axialschub in waagerechter oder geneigter
Bahnrichtung zeigt.
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Die extremste Ausführung dieser Art ist der sogenannte Coleopter,
wie er z. B. in der deutschen Patentschrift 908 45o beschrieben ist. Der Coleopter
ist eine Ringflügel-Flugmaschine, mit der vor allem hohe Fluggeschwindigkeiten unter
Verzicht auf einen Gleitflug oder Abstieg mit geringer Sinkgeschwindigkeit bei Triebwerksausfall
erreicht werden sollen. In den USA. sind Versuche im Gange, Hubschrauber mit einem
ummantelten Doppelschraubenaggregat (H i 11 e r) zu verwirklichen. Auch hier muß
auf eine Autorotationsfähigkeit verzichtet werden, d. h., bei Triebwerksausfall
erfolgt nahezu senkrechter Absturz.
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Diese Beispiele weisen darauf hin, daß der Vorteil der ummantelten
Schrauben besonders auf dem Gebiet des Flugschraubers liegt, der wohl Senkrechtstart
und -landurig mit Leistungsüberschuß durchführen kann, aber auf den Schwebeflug
und den Autorotationsflug, also auf wesentliche Merkmale des Hubschraubers verzichtet:
Durch richtige Anordnung von Schwerpunkt und Leitwerk ist es für diese Art Flugschrauber
leicht, die erforderliche Flugstabilität zu erreichen.
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Hingegen ist die Steuerbarkeit selbst durch das Fehlen einer zyklischen
Blattverstellung wesentlich schlechter und kann nur durch verstellbare Leitflächen
im Schraubenstrahl verbessert werden. Stabilität im Schwebeflug ist bei einer Schwerpunktlage
über den Schraubenebenen, wie sie die bisherigen Entwürfe zeigen, überhaupt nicht
mÖglich, so daß jede Verwendung bei böigem Bodenwind und bei Flug ohne Sicht unmöglich,
wird.
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Nach diesem Stand der Technik bestand nun die technische Aufgabe darin,
eine Lösung zu finden, die sowohl die Vorteile der Drehflügler mit nicht ummantelten
Rotoren, nämlich Autorotationsfähigkeit, leichte Steuerbarkeit durch zyklische Blattverstellung
und Stabilität im Schwebeflug, als auch die Vorteile der Flugmaschinen mit ummantelten
Schrauben, nämlich höheren Gesamtwirkungsgrad, erhöhten Standschub und Stabilität
im schnellen Vorwärtsflug, aufweist, ohne die Nachteile beider Konstruktionsarten
zu besitzen.
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Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß bei
einer Kombination freier nicht ummantelter Rotoren mit Aggregaten ummantelter Schrauben
eine gelenkige Verbindung zwischen beiden vorgesehen ist, wie sie bei gelenkig angeschlossenen
Blättern ohne weiteres gegeben ist, so -daß bei Start und Landung die Schubrichtungen
der
freien Rotoren und der ummantelten Rotoren in Übereinstimmung gebracht, aber sonst
so zueinander geneigt werden können, daß die einen den Auftrieb und die anderen
den Vortrieb erzeugen. Der wesentliche Fortschritt gegenüber dem Bekannten besteht
darin, daß infolge dieser Kombination sowohl eine Autorotation der nicht ummantelten
Rotoren möglich wird und sich dadurch die Sicherheit gegen Absturz wesentlich erhöht,
als auch eine erhebliche Steigerung der Vorwärtsgeschwindigkeit gegenüber Hubschraubern
gleicher Leistung und eine entscheidende Verbesserung der Stabilitätsverhältnisse
erzielt wird. Dadurch wird ein solches Fluggerät überhaupt erst bei jedem Wetter
und auch bei fehlender Erdsicht einsatzfähig.
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Die Abb. I und 2 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel. Die Blätter
des Rotors I sind gelenkig an einem Rotorkopf 2 angeschlossen, über den auf bekannte
Weise eine zyklische Blattverstellung und eine simultane Blattverstellung (Verstellung
der Schraubensteigung) aufgebracht werden kann. Der Antrieb, der an sich auf jede
Weise erfolgen kann, ist hier als Schubdüsenantrieb 3 an den Blattenden des nicht
ummantelten Rotors angenommen. Über eine Welle und Übersetzungsgetriebe hinweg kann
damit gleichzeitig das ummantelte Schraubenaggregat 4 angetrieben werden. Nur muß
dann die Möglichkeit bestehen, durch eine Kupplung mit Freilauf 5 den nicht ummantelten
Rotor so abzuschalten, daß er bei Triebwerksstillstand frei umlaufen kann.
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Während im senkrechten Aufstieg und Schwebeflug, den Abb. I zeigt,
die Schubrichtungen der ummantelten und der nicht ummantelten Rotoren parallel gerichtet
nach oben zeigen und der Gesamtschub S gleich oder größer als die Summe aus Gesamtgewicht
G und dem Widerstand W, den das Fluggerät in Richtung entgegen der Anströmgeschwindigkeit
v aufweist, sein muß, ist im Falle einer seitlichen Fortbewegung, den Abb. 2 zeigt,
eine gelenkige Verbindung zwischen den Drehebenen der nicht ummantelten Rotoren
und denen der ummantelten Schrauben nötig und Gegenstand der Erfindung. Dadurch
kann das ummantelte Schraubenaggregat eine solche Neigung einnehmen, daß seine seitliche
Schubkomponente Sh den Gesamtwiderstand, entgegen der Anströmgeschwindigkeit v,
der sich aus W1 =Widerstand des ummantelten Aggregats + Rumpfwiderstand und W2 =
Widerstand der nicht ummantelten Rotoren zusammensetzt, überwindet. Die resultierende
Luftkraft R muß im Waagerechtflug gleich dem Gesamtgewicht G sein. Der ummantelte
Rotor I nimmt dann die Stellung ein, in der sein Widerstand W1 ein Minimum wird.
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In jeder der gezeigten Fluglagen kann bei Triebwerksausfall oder zum
Zwecke der Landung im Gleitflug der Rotor I auf Freilauf umgeschaltet werden, so
daß er autorotieren kann. Diese Umschaltung kann willkürlich durch den Flugzeugführer
vorgenommen werden oder durch eine Automatik, die beispielsweise von der Drehzahl
abhängig ist.