DE962571C - Kreiselvorrichtung zur Stabilisierung der Rotoren von Hubschraubern - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 25. APEIL1957

L 19998 XIj62 b

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Rotoren von Hubschraubern, insbesondere von solchen kleinerer Bauart und geringer Tragfähigkeit.

Bekanntlich wird die Stabilisierung der Hubschrauber, welche für Bauarten großer Tragfähigkeit verhältnismäßig einfach ist, mit der Abnahme der Abmessungen und des Gewichtes dieser Maschinen immer schwieriger. Dies hängt damit zusammen, daß bei Verkleinerung des Hubschraubers die Eigenschwingungsperioden des Rumpfes des Hubschraubers sich den Eigenschwingungsperioden des Rotors sowie der Dauer der Reaktion der Steuerung durch den Piloten nähern.

Der Hubschrauber, insbesondere kleinerer Bauart mit Doppel- oder Mehrfachflügelrotor, der kardanisch oder auf andere Weise mit dem Hubschrauber selbst verbunden ist und mit oder ohne Vorrichtung für zyklische Steigung oder kollektive Steigung der Flügel arbeitet, findet oft erhebliche Schwierigkeiten, sich stehend im Fluge zu halten, da in gewissen Zuständen dynamischer Instabilität eine räumliche, selbsterregbare und sich selbstverstärkende Schwingbewegung einsetzt, die

sich aus zwei gekuppelten Schwingungen, welche untereinander in Phase sein können, zusammensetzt. Zur Bekämpfung dieser Erscheinung wurden bereits verschiedene Vorrichtungen geschaffen, die gute Ergebnisse zeitigten, jedoch im allgemeinen erheblich kompliziert und heikel sind.

Die Erfindung bezweckt nun, dem Rotor eines Hubschraubers eine ausreichende dynamische Stabilität zu verleihen, und zwar auch im Falle ίο von Hubschraubern kleinerer Bauart, unter Heranziehung einer Kreiselvorrichtung höchster Einfachheit, die die dem Rotor anhaftende Unstabilität, welche sich hauptsächlich im Fluge ohne Vorwärtsgeschwindigkeit oder mit kleiner Vorwärtsgeschwindigkeit bemerkbar macht, herabzusetzen bzw. zu beseitigen.

Die den Gegenstand der Erfindung bildende Kreiselvorrichtung, bei der jedem Flügel eine von einem starren Verbindungselement getragene Stabilisierungsmasse zugeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem starren Verbindungselement und der Stabilisierungsmasse ein weiteres Verbindungselement eingeschaltet ist, das entweder fexibel ist oder bei starrer Ausbildung über ein Gelenk mit dem ersten starren Verbindungselement verbunden ist.

Dieser Kreiselstabilisator kann mit einem beliebigen Rotor und einer beliebigen Flügelanzahl arbeiten, da jede Stabilisierungsmasse mit einem Flügel verbunden ist. Nur im Falle eines Zweiflügelrotors können die besagten Massen und auch die Flügel untereinander verbunden sein.

In den Zeichnungen sind beispielsweise verschiedene Ausführungsformen der an einem Hubschrauber mit Zwei- bzw. Dreiflügelrotor angebrachten erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt

Fig. ι schematisch in Draufsicht den mit der Stabilisiervorrichtung ausgerüsteten Zweiflügelrotor,

Fig. 2 und 3 denselben Rotor mit der Stabilisiervorrichtung in Seitenansicht in zwei verschiedenen Lagen,

Fig. 4 eine analoge Ansicht wie jene der Fig. 1 einer anderen Ausführungsform,

Fig. 5 eine weitere Verwendungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 6 und 7 zwei Darstellungen in verschiedenen Phasen zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf die Fig. 1 bis 3, sind die mit ro bezeichnete Transmissionswelle des Hubschraubers das Kardangelenk 1·, welches den Zweiflügelrotor mit jener Welle 10 verbindet, die beiden Flügel 2 des Rotors, welche mittels der Arme 3 mit der Nabe 4 verbunden sind, die ihrerseits mit dem Kardangelenk 1 verbunden ist, zu bemerken. Die Flügel 2 können ihre kollektive Steigung dadurch ändern, daß die Arme 3 derart gelagert sind, daß sie um ihre Längsachse drehbar sind, wodurch eben die Steigung der Flügel 2 verändert wird. Es ist erwähnenswert, daß der Rotor, infolge seiner Anbringung an einem Kardangelenk 1 die Möglichkeit besitzt, seine Drehachse innerhalb eines Kegels, dessen Spitze im Zentrum des Kardangelenkes liegt, frei zu verstellen. Die eigentliche Kreiselvorrichtung zur Stabilisierung des Doppelflügelrotors besteht gemäß der dargestellten Ausführungsform aus zwei starren Streben 5 geeigneter Länge, die starr und diametral entgegengesetzt in der Drehebene der Flügel 2 an der Nabe 4 des Rotors derart befestigt sind, daß sie im rechten Winkel zur Längsachse der Flügel 2 stehen.

An den freien Enden der starren Streben sind mittels Kugelgelenken 6 zwei weitere bewegliche und flexible Streben 7 befestigt, die an ihren äußeren Enden die Stabilisierungsmassen 8 tragen. Das flexible Verbindungselement 7 der Massen 8 kann auf beliebige Art und Weise ausgeführt sein, beispielsweise als Metallseil, Kette, Kardan- oder Kugelgelenk, Strick od. dgl.

In Fig. 5 ist die Anwendung einer erfindungsgemäßen Kreiselvorrichtung an einem Dreiflügelrotor eines Hubschraubers dargestellt. Man kann in diesem Fall ersehen, daß die starren Verbindungselemente 5 direkt mit den Flügeln 2 verbunden sind. Anstatt mit den Flügeln 2 verbunden zu sein, könnten die starren Verbindungselemente aber auch mit den Steuerorganen der Flügel 2, beispielsweise mit den Armen 3, verbunden sein.

Die Unstabilität des Rotors hängt von Zuständen mangelnden Gleichgewichtes ab, die sich während des Betriebes (hervorgerufen durch äußere Einwirkungen) einstellen und das Bestreben haben, die Rotationsebene des Rotors zu verändern. Die sich dadurch ergebende Schwingung kann infolge einer Trägheitspendelschwingung des Hubschraubers um den Aufhängepunkt des Rotors verstärkt werden, und zwar aus dem Grund, als sich die Wirkung des Rückführkommandos durch den Piloten auch über den Augenblick hinaus ausdehnt, in welchem der Hubschrauber in seine Gleichgewichtslage zurückgekehrt ist.

Die Erfindung verfolgt den Zweck, sich dauernd den Trimmungsveränderungen des Rotors zu widersetzen. Während des Betriebes des Hubschraubers haben die Stabilisierungsmassen 8 das Bestreben, ihre eigene Rotationsebene in der ursprünglichen Lage beizubehalten, und wenn sich der Rotor neigt, folgen die Massen 8 dieser Neigung mit Verspätung. An den Enden der starren Streben 5 bilden sich somit zwei Gleichrichtekräfte aus, welche bei Drehung der Flügel 2 um ihre Längsachse (in bezug auf welche das Trägheitsmoment ihrer Masse minimal ist) den Flügeln eine Steigungsänderung aufzwingen, welche bewirkt, daß das Bestreben vorherrscht, den Rotor in seine ursprüngliche Lage zurückzuführen. Die Wirkungsweise der oben beschriebenen Stabilisiervorrichtung ist folgende:

Angenommen, die Roto rebene soll derart gesteuert werden, daß sie stetig der Ebene der Streben 5, die das starre Verbindungselement der Massen 8 bil ■ den, folgen muß, so ist es zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung ausreichend, nur die Ebene dieses starren Verbindungselements so-

wie die Wirbelträgheitsebene, dargestellt durch die Massen 8 und das flexible Verbindungselement 7, zu betrachten.

Fig. 6 zeigt schematisch die Wirkungsweise des Stabilisators im stationären Flug. In dieser Figur sind die Drehachse mit 10, die starren Streben, welche eine Ebene 11 bilden, mit 5 und die flexiblen Elemente, welche mit den Massen 8 die Wirbelebene 12 der Massen bilden, mit 7 bezeichnet.

Wenn sich der Hubschrauber im stationären Flug befindet, d. h., wenn weder Geschwindigkeitsnoch Richtungsänderungen eintreten, stimmen die Ebene 12, in der die Massen 8 rotieren, und die Ebene 1 r, in der sich die starren Streben 5 drehen, überein.

Man nehme nun den Hubschraubar in stationärem Flug an und' denke an eine Störung, beispielsweise einen Windstoß, der den Rotor trifft oder an einen Stoß des Piloten gegen den (nicht dargestellten) Steuerknüppel. Zufolge dieser Störung wird sich ein Punkt A der Ebene 11 nach Ä verschieben und eine Verschiebung As durchführen. Die starren Streben 5 nehmen die Lagen 5' und die flexiblen Elemente 7 die Lagen 7' ein. Da die Ursache, welche diese Verschiebung um einen beliebigen Winkel bewirkt, normalerweise nur kurz andauert und jedenfalls nur eine geringere Zeit anhält, als für die Neigung der Wirbelebene 12 nötig wäre, setzt sich die durch die Massen 8 (welche infolge ihrer Trägheit nur langsam ihre Drehungsebene ändern) erzeugte Fliehkraft den Auswirkungen der Störung von Beginn deren Bestehens an entgegen und annulliert — nach Aufhören der Störungsursache — die Verschiebung Δ s, indem sie die Ebene 11 und somit den Rotor in die ursprüngliche bzw. in eine fast mit dieser übereinstimmende Drehebene zurückführt.

Wünscht der Pilot hingegen ein beliebiges Manöver durchzuführen, indem er auf den Steuerknüppel einwirkt, so verändert er die Neigung der Ebene 1 r der starren Verbindungselemente 5 und folglich der Ebene des Rotors. Die neue Ebene 13 der starren Verbindungselemente 5' (Fig. 7) bildet mit der ursprünglichen einen Winkel k.

Die Steuerwirkung dauert diesmal nicht nur einen Augenblick (wie jene eines Luftstoßes), sondern eine gewisse Zeit und die Ebene 12 der Stabilisierungsmassen 8 folgt somit — da jedes System sich drehender Massen bestrebt ist, sich in eine zur Drehungsebene, mit der die Massen verbunden sind, senkrechte Ebene einzustellen — allmählich und mit einer gewissen Verspätung infolge der Trägheit der Drehmassen, der Neigung, die der Pilot der Ebene der starren Verbindungselemente 5' aufzwingt.

Diese verspätete Bewegung ist nicht periodisch und ist einstellbar, da sie sich in Abhängigkeit von der Länge der Verbindungselemente (starre und flexible), vom Gewicht der Massen 8 und vom Verhältnis zwischen der radialen Länge des starren Verbindungselements 5 und der radialen Länge des flexiblen Verbindungselements ändert.

Durch Veränderung dieser drei Größen ist es möglich, weitgehend auf die Dauer der genannten 6g Verspätung einzuwirken, so daß man dieselbe mit Bestimmtheit außerhalb der gefährlichen Zonen: Dauer eines Windstoßes, Eigenschwingungsdauer des Hubschraubers, Dauer einer ungewollten Steuerung bringen kann.

Mittels einer beliebigen bekannten Transmission ist es auch möglich, die Länge der die Stabilisierungsmassen 8 tragenden flexiblen Verbindungselemente im Flug zu ändern.

Die durch das System im stationären Flug gegebene Stabilisierung existiert auch während der normalen Manöver in der Luft.

Die durch die beschriebene Vorrichtung erzielte Stabilisierungswirkung ist für sich allein vollständig, kann aber immerhin auch beispielsweise mit der Wirkung zweier Flächen mit stromlinienförmigem Profil (Flügel), wie in Fig. 4 angedeutet, kombiniert werden.

Diese Flügel 9 können an den starren Streben 5, die an der Nabe 4 des Rotors befestigt sind, derart angebracht sein, daß sie eine Veränderung der Anstellung in bezug auf die Drehrichtung der Flügel 9 ermöglichen. Die Wirkung dieser fest oder einstellbar mit einer gewissen Anstellung angebrachten Flügel 9 macht sich ausschließlich im Fort- go bewegungsflug bemerkbar und beeinflußt demnach beim Flug an einem festen Punkt in keiner Weise, weder fördernd, noch hindernd, die Wirkung der Massen 8. Während des Fortbewegungsfluges senkt sich der gegen den Wind fortschreitende Flügel 9 und vermindert seinen Anstellwinkel gegenüber der resultierenden Geschwindigkeit, während das Gegenteil für den zurückschreitenden Flügel eintritt. Auf diese Weise erzielt man eine Kompensierung der Tragkraft der Flügel des Rotors, mit dem Bestreben, den Anstellwinkel des fortschreitenden Flügels zu verkleinern und jenen des zurückschreitenden Flügels zu vergrößern.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kreiselvorrichtung zur Stabilisierung der Rotoren von Hubschraubern, insbesondere kleinerer Bauart, wobei jedem Flügel eine von einem starren Verbindungselement getragene Stabilisierungsmasse zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem starren Verbindungselement (5) und der Stabilisierungsmasse (8) ein weiteres Verbindungselement (7) eingeschaltet ist, daß entweder flexibel ist oder bei starrer Ausbildung über ein Gelenk (6) mit dem ersten starren Verbindungselement (5) verbunden ist.

2. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible bzw. angelenkte starre Verbindungselement (7) als Seil, Kette od. dgl. ausgebildet ist bzw. Kardan- oder Kugelgelenke aufweist.

3. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der

flexiblen bzw. angelenkten starren Verbindungselemente im Fluge veränderlich ist.

4. Kreiselvorrichttmg nach einem der Anspräche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer beliebigen anderen Stabilisierungsvorrichtung mit dynamischer Wirkungsweise, wie starr angebrachte Massen odi. dgl., oder mit aerodynamischer Wirkungsweise, wie Flügel, Ruder od. dgl. zusammen, vorgesehen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 566 399; französische Patentschrift Nr. 932 973.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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