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Hubschrauber Drucken E-Mail
Ein Hubschrauber (vor allem in der Schweiz auch: Helikopter, abgekürzt: Heli, zu griech. hélix, Gen. hélikos „Windung, Spirale" und pterón „Flügel“; engl. helicopter) ist ein Luftfahrzeug, das durch einen oder mehrere motorisch angetriebene Rotoren Auftrieb und Vortrieb erhält. Diese wirken wie drehende Tragflächen, daher gehören Hubschrauber auch zu den Drehflüglern, im Unterschied zu den Starrflügelflugzeugen. Des Weiteren sind sie Senkrechtstarter, können also vertikal starten und landen. Nicht zu Hubschraubern werden gerechnet: Tragschrauber, Hybrid- und VTOL-Flugzeuge.

Funktion

Die rotierenden Rotorblätter erzeugen mit der anströmenden Luft einen dynamischen Auftrieb. Wie bei den starren Tragflächen eines Flugzeugs ist dieser abhängig von ihrem Profil, dem Anstellwinkel und der Anströmgeschwindigkeit der Luft. Beim schwebenden Hubschrauber entspricht die Anströmgeschwindigkeit der Umlaufgeschwindigkeit. Wenn sich ein Helikopter beispielsweise vorwärts bewegt, addieren sich Umlauf- und Fluggeschwindigkeit des nach vorne laufenden Blatts. Beim zurücklaufenden Blatt subtrahieren sie sich; siehe Skizze unter Flugleistungen.

Die zyklische Blattverstellung dient der Steuerung der 2-dimensionalen Horizontalbewegung des Hubschraubers durch Neigung der Hauptrotorebene, das heißt zum Einleiten oder Beenden von Vorwärts-, Rückwärts- oder Seitwärtsflug. Hierbei werden die Einstellwinkel der Blätter während des Umlaufs des Rotors (zyklisch) verändert. Zum Vorwärtsflug werden sie so geändert, dass sich die Rotorebene nach vorne neigt, der Luftstrom erhält eine nach hinten gerichtete Komponente und erzeugt so eine den Hubschrauber nach vorne treibende Kraft (Schub). Die zyklische oder rotationsperiodische Blattverstellung ist für jeden Hubschrauber mit feststehendem Rotor für den Schwebeflug unerlässlich.

Mit der kollektiven Blattverstellung oder Pitch verändert der Pilot den Einstellwinkel aller Rotorblätter gleichmäßig, was zum Steigen oder Sinken des Hubschraubers führt. Einfache Konstruktionen, etwa bei verschiedenen Elektroantrieben im Modellbau, ersetzen diese Steuerung durch eine Drehzahländerung. Nachteilig ist dabei die längere Reaktionszeit durch die Massenträgheit des Hauptrotors.

Die Ansteuerung der Rotorblätter erfolgt meist durch eine Taumelscheibe, deren unterer, feststehender Teil vom Piloten mit Hilfe des kollektiven Verstellhebels nach oben oder unten verschoben wird; mit dem zyklischen Steuerknüppel kann dieser wiederum in jede Richtung geneigt werden. Der obere, sich mit dem Rotor drehende Teil der Taumelscheibe überträgt über Stoßstangen und Hebel an den Blattwurzeln den gewünschten Einstellwinkel auf die Rotorblätter.

Durch die Aerodynamik des Rotorblatts entstehen beim Flug asymmetrische Kräfte auf die vor- und rücklaufenden Blätter, die bei älteren Modellen durch Schlag- und Schwenkgelenke am Rotorkopf aufgefangen werden mussten. Neuere Konstruktionen kommen ohne diese Gelenke aus, da Rotorkopf und -blätter aus Materialien bestehen, die die sich in Größe und Richtung ständig ändernden dynamischen Kräfte aufnehmen können, ohne Ermüdungsbrüche zu entwickeln. Ein solcher gelenkloser Rotorkopf wurde erstmals bei der Bo 105 durch Blätter aus GFK und einen massiven Rotorkopf aus Titan realisiert. Beim EC 135 wurde dieser zum lagerlosen Rotorkopf weiter entwickelt, der bei den meisten aktuellen Modellen eingesetzt wird.

Rotorvarianten und Giermomentausgleich

Man unterscheidet Einrotorsysteme, Doppelrotoren und vier Rotoren (Quadrocopter). Mit Ausnahme des Blattspitzenantriebs wird der Rotor stets durch einen Antrieb im Rumpf in Drehung versetzt. Somit entsteht beim gebräuchlichsten Einrotorsystem an der Rotorachse ein Drehmoment (Giermoment), das eine entgegengesetzte Drehung des Rumpfes bewirkt. Um dies zu vermeiden, gibt es mehrere Möglichkeiten:

    * Erzeugung eines seitlichen Gegenschubs durch einen Heckrotor, auch gekapselt als Impeller beim Fenestron oder durch Schubdüsen beim NOTAR System. Einzig beim Fairey Gyrodyne von 1946 wurde ein in Flugrichtung wirkender Propeller eingesetzt.
    * Zwei gegenläufige Hauptrotoren, deren Giermomente sich ausgleichen – durch Anordnung übereinander auf der selben Achse (Koaxialrotor) oder auch hintereinander (Tandem-Konfiguration) oder nebeneinander. Eine weitere Variante sind die ineinander greifenden Rotoren mit nahe zusammen liegenden, zueinander schräg gestellten Drehachsen beim Flettner-Doppelrotor.
    * Verwendung von vier Rotoren beim Quadrocopter, die allein durch Verstellung von Pitch oder Drehzahl eine Steuerung um alle drei Achsen ermöglichen.
    * Nur selten (Cierva W.11), in der Planung (Mi-32) oder im Modellbau (Tribelle) traten Dreifach-Rotoren auf, bei denen das Drehmoment durch leichtes Kippen der Rotorhochachsen ausgeglichen wird.

Ein System mit zwei Rotoren ist zwar technisch die effizientere Konstruktion, da alle Rotoren zum Auf- und Vortrieb genutzt werden. In der Praxis hat sich aber weitgehend das Einrotorsystem mit einem Heckrotor durchgesetzt. Ökonomisch schlagen hier die niedrigeren Bau- und Wartungskosten bei nur je einem Rotorkopf und Getriebe ins Gewicht, da diese die beiden aufwändigsten und empfindlichsten Baugruppen eines Hubschraubers sind. Bei zwei Rotoren sind zudem auch zwei Motoren samt Kopplungsgetriebe notwendig, um die nicht aussteuerbare Unsymmetrie des Auftriebs bei Ausfall eines der beiden Rotorantriebe zu verhindern.
Kaman K-Max mit Flettner-Doppelrotor

Heckrotoren gibt es in Ausführungen mit zwei bis fünf Blättern. Um den Lärm zu verringern, werden teils vierblättrige Rotoren in X-Form eingesetzt. Eine besonders leise Variante ist der Fenestron, ein ummantelter Propeller im Heckausleger mit bis zu 18 Blättern.

Meist wird der Heckrotor aus dem Hauptgetriebe über Wellen und Umlenkgetriebe angetrieben, so dass seine Drehzahl stets proportional zu der des Hauptrotors ist. Der Schub zur Steuerung um die Gierachse wird dann mit den Pedalen über den Einstellwinkel der Heckrotorblätter geregelt, analog der kollektiven Verstellung des Hauptrotors.

Während des Reiseflugs wird bei vielen Konstruktionen der Heckrotor dadurch entlastet, dass ein Seitenleitwerk das Giermoment weitgehend kompensiert. Dies ist meist durch Endscheiben an der horizontalen Dämpfungsfläche realisiert, die zur Rumpflängsachse schräg gestellt sind; bei einer einzelnen Seitenflosse in der Regel zusätzlich durch ein asymmetrisches Profil.

Sollte der Antrieb ausfallen, können Hubschrauber trotzdem noch landen. Sie gehen dann in einen steilen Sinkflug über, wobei der freilaufende Rotor durch die nun in umgekehrter Richtung, von unten nach oben, strömende Luft in Drehung gehalten wird – eine Autorotation wie beim Tragschrauber. Ein Giermomentausgleich ist dabei nicht notwendig; eine solche Landung ist daher auch beim Ausfall des Heckrotors möglich, zum Beispiel bei Bruch der Antriebswelle, des Winkelgetriebes oder des ganzen Heckauslegers. Kurz vor dem Aufsetzen wird nun der kollektive Einstellwinkel vergrößert und damit der Auftrieb erhöht, um möglichst weich aufzusetzen. Der Verlust der Steuerung um die Hochachse und die Notwendigkeit, den richtigen Moment genau zu treffen, da die kinetische Energie des Rotors nur für einen Versuch ausreicht, macht dieses Manöver jedoch stets riskant.

Steuerung

Ein Hubschrauber ist ein nicht eigenstabiles Luftfahrzeug – er hat vor allem im Schwebeflug und langsamen Flug stets die Tendenz, seine Fluglage zu verlassen und in die eine oder andere Richtung zu schieben, sich zu neigen oder zu drehen. Dies ist u. a. darin begründet, dass der Neutralpunkt über dem Rumpf und damit über dem Schwerpunkt liegt. Der Pilot muss diese Bewegungen durch kontinuierliche, entgegen wirkende Steuereingaben abfangen. Bei einer Fluggeschwindigkeit oberhalb von ca. 100 km/h verhält sich ein Hubschrauber ähnlich wie ein Tragflächenflugzeug und ist entsprechend einfach zu steuern.

Zur Steuerung des Hubschraubers benötigt der Pilot – anders als im Starrflügel-Flugzeug üblicherweise rechts sitzend – beide Hände und Füße. Mit der linken Hand kontrolliert er über einen Hebel die kollektive Blattverstellung (engl. Pitch) und damit den Auftrieb. Um beim Aufstieg den Abfall der Rotordrehzahl zu verhindern, wird auch die Motorleistung und damit das erzeugte Drehmoment erhöht, entweder manuell, mit einem Drehgriff an diesem Hebel, oder automatisch. Mit der rechten Hand kontrolliert der Pilot über den Steuerknüppel die zyklische Blattverstellung, das heißt die Neigung der Taumelscheibe und damit die Bewegung um Längs- und Querachse.

Am Boden finden sich zwei Fußpedale, mit denen der Heckrotor und damit die Bewegung um die Gierachse gesteuert wird, also die Rechts-Links-Drehung.

Flugleistungen

Hubschrauber erreichen prinzipiell nicht die Flugleistungen von Starrflügelflugzeugen:

Die Höchstgeschwindigkeit liegt meist zwischen 200 und 300 km/h, einige Kampfhubschrauber erreichen über 360 km/h. Der Geschwindigkeits-Rekord liegt bei 400,87 km/h und wurde am 11. August 1986 mit einem Westland Lynx erzielt.

Die Höchstgeschwindigkeit wird dabei durch die Aerodynamik der Rotorblätter begrenzt: Das jeweils nach vorne laufende Blatt hat gegenüber der von vorn anströmenden Luft eine höhere Geschwindigkeit als das nach hinten laufende. Nähert sich nun das vorlaufende Blatt im Außenbereich der Schallgeschwindigkeit, kommt es dort zu Effekten wie Abfall des Auftriebs, starke Erhöhung des Widerstands und große Blattbeanspruchung durch Torsionsmomente. Für den Piloten äußert sich dies zum Beispiel in starken Schwingungen, die die Kontrolle des Hubschraubers erschweren.

Meist wird die Geschwindigkeit eines Hubschraubers jedoch durch das rücklaufende Rotorblatt begrenzt: Hier führt die Kombination aus hohem Anstellwinkel (zyklische Verstellung, s. o.) und geringerer Strömungsgeschwindigkeit beim Rücklauf zum Strömungsabriss und damit Auftriebsverlust. Viele Hubschrauber kippen daher zuerst in Richtung zum rücklaufenden Rotorblatt, bevor das vorlaufende Blatt in den Überschallbereich gelangt.

Auch die Gipfelhöhe ist begrenzt und liegt normalerweise bei 5.000 Metern, wobei einzelne Modelle bis zu 9.000 Meter erreichen. Der Höhenrekord von 13.716 m (45.000 ft) wurde im Mai 2005 von Didier Delsalle mit einem darauf optimierten Eurocopter AS 350 aufgestellt.

Der Kraftstoffverbrauch eines Hubschraubers liegt bei gleicher Zuladung praktisch immer deutlich über dem eines Tragflächen-Flugzeugs.

Der Vorteil eines Hubschraubers aber liegt in der Fähigkeit, in der Luft stehen zu bleiben (Schwebeflug, auch Hover genannt), rückwärts oder seitwärts zu fliegen, sowie sich im langsamen Flug um die Hochachse (Gierachse) zu drehen. Weiterhin kann er senkrecht starten und landen (VTOL) und benötigt daher keine Start- oder Landebahn. Neben einem Hubschrauberlandeplatz reicht dazu bereits ein ebener Platz von ausreichendem Durchmesser.


Entwicklungsgeschichte

Schon Leonardo da Vinci hatte Ende des 15. Jahrhunderts Skizzen eines Hubschraubers angefertigt, aber erst im 20. Jahrhundert gelang die technische Umsetzung dieser Idee. Pioniere der Hubschrauberentwicklung waren u. a. Étienne Oehmichen, Juan de la Cierva, Louis Charles Breguet, Henrich Focke und Igor Sikorski:

Am 13. November 1907 hob Paul Cornu mit seinem 260 kg schweren fliegenden Fahrrad für zwanzig Sekunden senkrecht vom Boden ab - dem vermutlich ersten freien, bemannten Vertikalflug. Er benutzte Tandemrotoren, die von einem 24 PS starken V8-Motor angetrieben wurden.

Am 11. November 1922 brachte Étienne Oehmichen erstmals seine Oehmichen No. 2 in die Luft, den wohl ersten zuverlässig fliegenden, manntragenden Senkrechtstarter.

Bei der Entwicklung seines Autogiro gelangen Juan de la Cierva 1923 wesentliche Lösungen zur Stabilisierung des Rotors eines Drehflüglers, so z. B. die Schlaggelenke.

1928 experimentierte Engelbert Zaschka in Berlin mit seinem Rotationsflugzeug, einem kombinierten Trag- und Hubschrauber in Koaxialbauweise.

In den frühen 1930er Jahren bauten Louis Charles Breguet und René Dorand mit dem Gyroplane-Laboratoire den ersten, längere Zeit stabil fliegenden Hubschrauber. Er hatte Koaxialrotoren und hielt ab Juni 1935 alle internationalen Rekorde für Hubschrauber.
Igor Sikorski in seinem VS-300 von 1941

Die Focke-Wulf Fw 61, die zwei seitlich angeordnete Rotoren benutzte, startete erstmalig am 26. Juni 1936. Es wurden nur zwei Exemplare gebaut.

Der erste in Serie gebaute Hubschrauber, ebenfalls mit zwei seitlich angeordneten Rotoren, war 1941 die deutsche Focke-Achgelis Fa 223. Es folgten 1943 die Flettner Fl 282, ebenfalls mit Doppelrotor, und 1944 die Sikorsky R-4 'Hoverfly' in den USA, die wie ihr Vorgänger Sikorsky VS-300 einen Einzelrotor zusammen mit einem Heckrotor verwendete.

1955 rüstete die französische Firma Sud Aviation ihren Hubschrauber Alouette II mit einer 250 kW-Turboméca Artouste-Wellenturbine aus und baute damit den ersten Hubschrauber mit Gasturbinenantrieb, der heute von allen kommerziellen Herstellern verwendet wird, mit der einzigen Ausnahme der Robinson Helicopter.

Die mit bis heute 16.000 Exemplaren meistgebaute Hubschrauberfamilie, die Bell 204 (militärisch Bell UH-1 genannt), startete am 22. Oktober 1956 zu ihrem Jungfernflug.

Die deutsche Bölkow Bo 105 wurde 1967 als erster Hubschrauber mit einem gelenklosen Rotorkopf zusammen mit GFK-Rotorblättern, die erstmals bei der Kamow Ka-26 zum Einsatz gekommen waren, ausgerüstet. Die Eurocopter EC 135 als aktueller Nachfolger benutzt diese Bauweise in weiterentwickelter Form.
Mil Mi-12, größter Hubschrauber

1968 startete mit der sowjetischen Mil Mi-12 der größte jemals gebaute Hubschrauber. Er verfügt über nebeneinander angeordnete Rotoren, ein Startgewicht von 105 t, bei einer Nutzlast von 40 t und 196 Passagierplätze. Nach drei Prototypen, die eine Reihe von Rekorden erzielten, wurde die Produktion eingestellt.

1977 fand der Jungfernflug des größten in Serie gebauten Helikopters statt, der Mil Mi-26, die bis heute produziert und eingesetzt wird.

Ab 1983 entstand mit der RAH-66 Comanche ein Kampfhubschrauber mit Tarnkappentechnik, dessen Fertigung jedoch kurz vor Erreichen der Einsatzreife 2004 gestoppt wurde.

1984 flog erstmals die Sikorsky X-wing, deren Rotor beim Vorwärtsflug angehalten und festgestellt wird und dann als zusätzliche Tragfläche dient. Wie bei anderen VTOL-Konzepten sollen damit gegenüber reinen Drehflüglern bessere Flugleistungen erreicht werden. Es blieb bei einem Prototyp.

Unfälle
Hughes AH-64 Apache der US Army, abgestürzt 1999 in Albanien

Verglichen mit Tragflächenflugzeugen weisen Hubschrauber eine deutlich höhere Unfallhäufigkeit auf: Zwischen 1980 und 1998 verzeichnete die Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung (BFU) bei Hubschraubern statistisch pro einer Million Abflüge 54 Unfälle mit sechs Toten, bei Tragflächenflugzeugen lediglich zehn Unfälle mit 1,6 Toten. Die Unfallursachen liegen dabei anteilig häufiger im menschlichen Versagen (über 80 %).

Aus Sicht der Technik sind Hubschrauber nicht unsicherer als Tragflächenflugzeuge und werden unter den gleichen Zuverlässigkeitsforderungen ausgelegt und zugelassen. Die höhere Unfallgefahr kann mehr durch die Einsatzbedingungen erklärt werden: Rettungsdienste und Militär können einen Einsatzort nicht vorher bestimmen, Hindernisse wie Antennen oder Stromleitungen sind dem Piloten dann nicht bekannt. Einsätze im Hochgebirge, wie Lastentransport und Bergrettung, können wiederum durch die geringere Luftdichte und Abwinde den Antrieb an die Leistungsgrenze bringen. Bei seinem Ausfall sind wiederum die Bedingungen für eine Autorotations-Landung häufig schlecht.

Verwendung

Der Betrieb eines modernen Hubschraubers ist im Vergleich zu einem Flächenflugzeug mit vergleichbarer Zuladung deutlich teurer. Dennoch ergeben sich aufgrund seiner Fähigkeit, auf unvorbereitetem Gelände starten und landen zu können, eine Reihe von zusätzlichen Einsatzgebieten, unterscheidbar in zivile und militärische.

Zivile Verwendung

Die häufigste Verwendung in Mitteleuropa ist der Bereich Luftrettung mit dem Rettungshubschrauber, wovon es allein in Deutschland über 50 Stützpunkte gibt. Weitere Spezialisierungen stellen Intensivtransporthubschrauber, Großraum-Rettungshubschrauber, Notarzteinsatzhubschrauber und Bergrettungsdienst dar. Auch bei der Polizei und bei der Feuerwehr sind Hubschrauber zu einem wichtigen unterstützendem Faktor geworden.

Für den zivilen Passagiertransport wiederum werden Transporthubschrauber eingesetzt, etwa bei Bohrinseln, wo sie ein wichtiges Element der Logistik darstellen. Eine weitere Anwendung ist der Frachttransport, wenn Güter schnell direkt an einen bestimmten Ort zu bringen sind. Im Hochgebirge ist der Transport von Baumaterial und Bauteilen mangels geeigneter Landwege oft wichtig für die Errichtung von alpinen Einrichtungen. Gleiches gilt für Montagearbeiten an unzugänglichen Stellen, mitunter werden Hubschrauber dort auch als Baukran eingesetzt. In nicht mechanisierbaren steilen Weinbergen wird der Pflanzenschutz zum Teil mit Hubschraubern durchgeführt. Im Touristikbereich werden Rundflüge angeboten.

Modellhubschrauber bekommen zunehmend Bedeutung, da sich die Technik stetig entwickelt hat und der Pilot sein Hobby auch in Innenräumen ausüben kann. Ferngesteuerte Kleinhubschrauber werden daneben auch kommerziell als "fliegender Kamerakran" eingesetzt und ermöglichen so Kamerafahrten, die sonst nur mit deutlich größerem Aufwand oder gar nicht realisierbar waren.

Militärische Verwendung

Typische militärische Einsatzgebiete sind die Panzerabwehr durch spezialisierte Kampfhubschrauber, wie den Eurocopter Tiger, den Hughes AH-64 oder den Mil Mi-24 sowie der Kampf gegen weitere Bodenziele, weiter die Artilleriebeobachtung, CSAR (Combat Search and Rescue, dt. Suchen/Retten im Gefecht), die Luftabwehr und Einsätze innerhalb der Marine zur U-Jagd, Seeaufklärung und Seenotrettung (SAR – Search and Rescue).

Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Hubschrauber aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

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