DE102008015073B4

DE102008015073B4 - Hubschrauber mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs

Info

Publication number: DE102008015073B4
Application number: DE102008015073.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mikulla Volker
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: DE102008015073A1; US8074920B2; US20090277991A1; ITTO20090202A1; IT1393446B1

Abstract

Hubschrauber mit mindestens einem an einer Zelle (1) angeordneten Hauptrotor (2), an welcher außerdem über einen Heckausleger (3) beabstandet von der Zelle (1) ein Heckrotor (4) zum Drehmomentausgleich angebracht ist, wobei der Heckausleger (3) mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs versehen ist, welche am Heckausleger (3) mindestens genau zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegende, sich auf der der Hauptrotordrehrichtung abgewandten Seite entlang des Heckauslegers (3) erstreckende Hilfsflügel (5a, 5b) umfassen, von denen ein hauptrotornaher erster Hilfsflügel (5b) die passierende Abluft des Hauptrotors (2) in einer ersten Stufe beschleunigt, welche der nachfolgende zweite Hilfsflügel (5a) in einer zweiten Stufe höher beschleunigt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hubschrauber mit mindestens einem an einer Zelle angeordneten Hauptrotor, an welcher außerdem über einen Heckausleger beabstandet zur Zelle ein Heckrotor zum Drehmomentausgleich angebracht ist, wobei der Heckausleger mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs versehen ist.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Hubschrauber der Bauart mit Haupt- und Heckrotor. Hierbei wird über meist einen Hauptrotor die Energie zum Abheben vom Boden sowie zum Vortrieb des Hubschraubers erzeugt. Damit die meist bemannte Zelle, in welcher auch der Antrieb des Hauptrotors untergebracht ist, dem gegenüber drehstabil bleibt, also nicht mitdreht, verfügt die Zelle des Hubschraubers über einen Heckausleger, mit beabstandet von der Zelle und damit auch von der Drehachse des Hauptrotors angeordneten Heckrotor mit in etwa 90° quer zur Drehachse des Hauptrotors versetzter Drehachse. Der Heckrotor bringt eine Kraft auf, die in Verbindung mit dem als Hebelarm wirkenden Heckausleger den gewünschten Drehmomentausgleich bewirkt. Im Rahmen der Erfindung kann der Heckrotor entweder freiliegend oder auch als Fenestron^®, also als gekapselter Heckrotor, ausgeführt sein.
Aus der US 4,585,391 A geht ein gattungsgemäßer Hubschrauber hervor, an dessen Heckausleger ein Fenestron^® angeordnet ist. Dieser besteht aus mehreren einzelnen Flügeln, von denen einige fest mit der Drehachse verbunden sind und andere derart verschwenkbar mit der Drehachse verbunden sind, dass über eine Verstellung des Anstellwinkels die Antriebsenergie für den Drehmomentausgleich je nach Bedarf steuerbar ist. Der diesen Fenestron^® tragende Heckausleger besitzt einen im Wesentlichen runden Querschnitt. Während des Fluges wird der Heckausleger vom Abwind des Hauptrotors angeströmt und es entstehen unerwünschte Vibrationen, die über den Heckausleger in den Hubschrauber eingeleitet werden. Weiterhin verbraucht der Heckrotor zur Erfüllung seiner Stabilisierungsfunktion für den Hubschrauber einen erheblichen Teil der Antriebsenergie.
Gemäß des allgemeinen Standes der Technik ist es bereits versucht worden, den Energieverbrauch des Heckrotors durch am Heckausleger befestigte Spoiler zu reduzieren. Die Spoiler werden dabei seitlich am Heckausleger angebracht und lenken den vom Hauptrotor erzeugten Abwind in etwa in die Gegendrehrichtung des Hauptrotors um, so dass hierdurch die Wirkung des Heckrotors zum Drehmomentausgleich unterstützt wird. Allerdings fallen derartige Spoiler recht großbauend aus, wenn mit ihnen ein nennenswerter Wirkungsgrad erreicht werden soll. Versuche ergaben, dass selbst großdimensionierte Spoiler nur eine Ersparnis an Antriebenergie des Heckrotors von 1% bis 4% im Schwebeflug erbringen.
Das Patent US 6 352 220 B1 offenbart ein Flugzeugheck mit einem beabstandet angebrachten Leitblech, das Luft um eine Außenfläche des Hecks umlenkt. Das Leitblech ist aufwändig am Heck zu befestigen und erhöht das Gewicht des Flugzeugs nachteilig.
Das Dokument DE 90 12 671 U1 offenbart einen Helikopter mit einem Hauptrotor zur Vertikal- und Horizontal-schuberzeugung, und einem Heckrotor zur Erzeugung einer Schubkraft um die Fluggerätehochachse. Einseitig an der Helikopterzelle sind in Richtung oder annähernd in Richtung der Längsachse verlaufende, aus einem oder mehreren Abschnitten bestehende, in den Rotorabwindstrahl eingreifende, lokale Ablösungsgebiete mit Wirbelzonen bildende Luftleitkanten vorgesehen, die einseitig angeordnet ist an der Seite zur Erzeugung einer dem Rückdrehmoment des Hauptrotors auf die Zelle entgegen gerichteten Schubkraft um die Hochachse.
Das Dokument DE 692 01 690 T2 offenbart einen Hubschrauber mit einem antitorque System aus zusätzlichem Heck-Rotor und einem vertikalen Leitwerk mit seitlichem Auftrieb mit einer Kantensteuerung und einer Gebläsevorrichtung.
Das Dokument US 5 209 430 A offenbart ein System für Seitensteuerung bei niedrigen Geschwindigkeiten mit einem Strak, der auf den oberen Teil des Rumpfs gesetzt wird und einem anderen Strak, der auf den untereren Teil des Rumpfs gesetzt wird. Diese Straks stören den Luftstrom am Hubschrauber-Heck während des Schwebeflugs, bei niedrigen Geschwindigkeiten, etc., so dass weniger Seiten-Schub vom Heck-Rotor gefordert wird.
Das Dokument US 4 708 305 A offenbart einen Hubschrauber mit einem System zur Steuerung des Hauptrotor-Drehmoments. Der Hauptrotor-downwash wird durch Strake an bestimmten Stellen auf dem Rumpf gestört. Die Strake können für aerodynamische Oberflächen wie ein horizontaler Stabilisator durchgehend oder getrennt sein.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Hubschrauber der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass mit kleinbauenden technischen Mitteln am Heckausleger der Drehmomentausgleich des Heckrotors mit hoher Wirksamkeit unterstützt wird, um einen signifikanten Betrag der Antriebsenergie einzusparen.
Die Aufgabe wird mit einem Hubschrauber mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 der Erfindung gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Mittel zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs mindestens einen sich auf der der Hauptrotordrehrichtung abgewandten Seite entlang des Heckauslegers erstreckenden Hilfsflügel zur Strömungsbeschleunigung der diesen Bereich passierenden Abluft des Hauptrotors umfassen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung resultiert aus einer hiermit erzeugten wirksamen Umlenkung des Abwindes vom Hauptrotor unter gleichzeitiger Strömungsbeschleunigung in etwa der Wirkungsrichtung des Heckrotors. Die erfindungsgegenständlichen aerodynamischen Hilfsflügel lassen sich kleinbauend und in einfacher Weise nahe an der Oberfläche des Heckauslegers befestigen. Die Hilfsflügel können aus einem leichten Material gefertigt werden, welches das Gesamtgewicht des Hubschraubers nicht signifikant erhöht. Ein positiver Nebeneffekt der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass aufgrund der Strömungsbeschleunigung im Bereich der Hilfsflügel die Vibrationsneigung des Heckauslegers reduziert wird.
Vorzugsweise sollte der mindestens eine Hilfsflügel ein aerodynamisches Flügelprofil aufweisen. Hierdurch lässt sich die durch die Erfindung zu bewirkende Strömungsbeschleunigung in einfacher Weise erzielen. Bei einer weiteren Ausführungsform sind genau zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegende Hilfsflügel vorgesehen. Hierbei passiert die Abluft zunächst einen hauptrotornahen ersten Hilfsflügel zwecks Bündelung des Hauptrotorabwindes und Beschleunigung in einer ersten Stufe. Nachfolgend passiert die schon vorbeschleunigte Abluft den dahinterliegenden zweiten Hilfsflügel, um eine noch höhere Beschleunigung zu erzielen. Versuche haben ergeben, dass zwei derartig wirkende und sich seitlich entlang des Auslegers erstreckende Hilfsflügel hinsichtlich Wirksamkeit und Montierbarkeit auf dem zur Verfügung stehenden Platz an gewöhnlichen Heckauslegern optimal sind. Natürlich ist es auch denkbar, mehr als zwei Hilfsflügel entsprechend anzuordnen, falls die Bauraumverhältnisse dies zulassen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Hilfsflügel über Befestigungsstreben beabstandet zur Oberfläche des Heckauslegers angebracht ist. Die Befestigungsstreben können dabei stabförmige aus Metall bestehende Bauteile sein, welche sowohl seitens des Hilfsflügels als auch seitens des Auslegers über Nieten oder Schrauben befestigt sind.
Dabei sind die Befestigungsstreben in ihrer Länge derart bemessen, dass die gewünschte aerodynamische Strömungswirkung erzielt wird.
Idealerweise sollte der Heckausleger rohrförmig sein und einen runden bis ovalen Grundquerschnitt besitzen. Bei dieser Formgebung lassen sich die erfindungsgegenständlichen Hilfsflügel zur Unterstützung des Drehmomentausgleichs ohne weitere Modifikationen an der Querschnittsform anbringen. Verfügt der Heckausleger allerdings nicht über solche bevorzugten glatten und strömungsbegünstienden Querschnitte, sondern verlaufen – beispielsweise bei älteren Modellen – Verstärkungsprofile über die Oberfläche des Heckauslegers, so sollten diese gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme mit aerodynamischen Abdeckungen versehen werden, um dem Heckausleger ein verbessertes aerodynamisches Profil zu verleihen. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Lösung auch zur Nachrüstung älterer Hubschrauber-Modelle.
Optional können gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Mittel zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs weiterhin auch mindestens durch einen sich auf der der Hauptrotordrehrichtung zugewandten Seite entlang des Heckauslegers erstreckenden Spoiler zur Strömungsabbremsung der diesen Bereich passierenden Abluft des Hauptrotors ergänzt werden. Ein derartiges Abbremsen der Strömung des Spoilers auf der einen Seite des Heckauslegers und das gleichzeitige möglichst starke Beschleunigen der Strömung auf der anderen, gegenüberliegenden Seite des Heckauslegers führen insgesamt zu einem noch höheren Druckunterschied und damit zu einer entsprechend höheren Seitenkraft zur Unterstützung des Drehmomentausgleichs.
Ein derartiger Spoiler könnte gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform einen keilförmigen Querschnitt aufweisen und direkt an der Oberfläche des Heckauslegers angebracht sein.
Alternativ hierzu kann der Spoiler gemäß einer zweiten Ausführungsform auch als ein von der Oberfläche des Heckauslegers sich gerade nach außen erstreckendes Leitblech ausgeführt werden. Diese alternative Ausführungsform hat im Gegensatz zur erstgenannten Ausführungsform den Vorteil eines geringen Fertigungsaufwandes. Es ist daher darauf zu achten, dass der Spoiler unterhalb vom Aufprall des benachbarten Abgasstrahls angebracht wird, um dessen Strömungsrichtung nicht zu behindern. Ein als Leitblech ausgeführter Spoiler lässt sich zudem recht kleinbauend ausführen.
Nach einer dritten bevorzugten Ausführungsform kann der als Leitblech ausgeführte Spoiler auch dahingehend modifiziert werden, dass dieser aus mehreren Bereichen besteht, nämlich aus einem von der Oberfläche des Heckauslegers sich nach außen erstreckenden geraden Bereich, dem ein in Richtung des Hauptrotors sich erstreckender zweiter Bereich folgt. In fertigungstechnisch einfacher Weise lässt sich ein solcher Spoiler durch Biegen eines Leitblechs erzeugen. Leitbleche der beiden vorgenannten Ausführungsformen können in einfacher Weise zum Beispiel durch Schrauben oder Nieten am Heckausleger befestigt werden.
Nachfolgend werden mit der Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Hubschraubers mit Hauptrotor und Heckrotor gemäß der Erfindung,
2 einen schematischen Querschnitt durch einen Heckausleger des Hubschraubers mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs in einer ersten Ausführungsform,
3 einen schematischen Querschnitt durch einen Heckausleger des Hubschraubers mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs in einer zweiten Ausführungsform, und
4 einen schematischen Querschnitt durch einen Heckausleger des Hubschraubers mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs in einer dritten Ausführungsform.
Gemäß 1 besteht ein Hubschrauber im Wesentlichen aus einer Zelle 1 zur Aufnahme von zu transportierenden Personen sowie der Antriebs- und Steuerungstechnik und einem daran drehbar angebrachten Hauptrotor 2. Ausgehend von der Zelle 1 erstreckt sich weiterhin ein Heckausleger 3, an dessen distalem Ende ein Heckrotor 4 angebracht ist. Der Heckrotor 4 ist hier nach der Bauart eines Fenestron^® ausgebildet und erzeugt entgegen der Drehrichtung des Hauptrotors 2 eine Kraft, die im Zusammenwirken mit dem Hebelarm des Heckauslegers 3 einen Drehmomentausgleich zum Hauptrotor 2 liefert, um die Zelle 1 ortsfest relativ zum Hauptrotor 2 zu halten.
Dieser Drehmomentausgleich mittels des Heckrotors 4 wird durch Mittel zur aerodynamischen Unterstützung ergänzt. Diese bestehen erfindungsgemäß aus – in diesem Ausführungsbeispiel – zwei Hilfsflügeln 5a und 5b, welche auf der der Hauptrotordrehrichtung abgewandten Seite des Heckauslegers 3 angebracht sind. Die beiden Hilfsflügel 5a und 5b erstrecken sich in etwa über die gesamte Länge des Heckauslegers 3.
Gemäß 2 besitzt der Heckausleger 3 einen runden Grundquerschnitt und ist rohrförmig ausgebildet. Über Befestigungsstreben 6a und 6b sind die beiden Hilfsflügel 5a und 5b beabstandet zur Oberfläche des Heckauslegers 3 angebracht. Die Anbringung erfolgt dabei derart, dass sich eine Strömungsbeschleunigung der diesen Bereich passierenden Abluft vom – nicht weiter dargestellten – Hauptrotor 2 entsteht. Zu diesem Zweck weisen die beiden Hilfsflügel 5a und 5b ein aerodynamisches Flügelprofil auf und die angeströmte Flankenseite der Hilfsflügel 5a und 5b ist relativ weiter von der Oberfläche des Heckauslegers 3 beabstandet, als die abströmseitige Flankenseite. Die beiden Hilfsflügel 5a und 5b sind hintereinander liegend angeordnet, in dem der hauptrotornahe erste Hilfsflügel 5b die passierende Abluft des Hauptrotors 2 in einer ersten Stufe beschleunigt, welche der nachfolgende zweite Hilfsflügel 5a in einer zweiten Stufe höher beschleunigt. Darüber hinaus erfolgt durch die Positionierung der Hilfsflügel 5a und 5b am Heckausleger 3 auch eine Umlenkung des Hauptrotorabwindes in Wirkungsrichtung des – hier nicht dargestellten – Heckrotors 4, um die gewünschte zusätzliche aerodynamische Unterstützung des Drehmomentausgleichs zu bewirken.
Darüber hinaus ist der Heckausleger 3 mit einem sich auf der Hauptrotordrehrichtung zugewandten Seite erstreckenden Spoiler 7 ausgestattet, welcher eine Strömungsabbremsung des Hauptrotorabwindes bewirkt. Hierdurch wird eine ergänzende aerodynamische Unterstützung des Drehmomentausgleichs erzielt. Der Spoiler 7 besitzt in der hier beschriebenen Ausführungsform einen in etwa keilförmigen Querschnitt, um die bestimmungsgemäße Funktion zu erfüllen und ist direkt an der Oberfläche des Heckauslegers 3 angebracht.
Um dem Heckausleger 3, über dessen Oberfläche strömungsbehindernde Verstärkungsprofile 8 (exemplarisch) verlaufen, eine strömungsgünstige Gestalt zu verleihen, sind diese Verstärkungsprofile 8 mit aerodynamischen Abdeckungen 9 versehen, welche bei dieser Ausführungsform Bestandteil des Spoilers 7 sind.
Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform besteht der Spoiler 7' am Heckausleger 3 aus einem sich von der Oberfläche des Heckauslegers 3 gerade nach außen erstreckenden Leitblech. Das sorgt abströmseitig für Verwirbelungen, welche die gewünschte Strömungsabbremsung des Hauptrotorabwindes (dargestellt durch Pfeillinien) bewirken. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform illustriert, bei welcher Spoiler 7''a und 7''b vorgesehen sind, die sich jeweils in einem ersten Bereich von der Oberfläche des Heckauslegers 3 nach radial außen erstrecken, um nachfolgend in Richtung des Hauptrotorabwindes zu verlaufen. Die Spoiler 7''a und 7''b sind aus einem gebogenen Blech ausgeführt und am rohrförmigen Heckausleger 3 durch Schrauben oder Nieten befestigt.
Weiterhin sind außen über den Heckausleger 3 verlaufende Verstärkungsprofile 8 (exemplarisch) hier mit partiellen Abdeckungen 9a und 9b versehen, um dem Heckausleger 3 im Zusammenwirken mit den erfindungsgegenständlichen Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs ein geeignetes Strömungsprofil zu verleihen.
Es ist auch möglich, den Heckausleger 3 derart rohrförmig oder oval mit einer unzerklüfteten Oberfläche zu versehen, welche die unmittelbare Anbringung der erfindungsgegenständlichen Mittel zur Unterstützung des Drehmomentausgleichs ermöglicht. Zusätzliche aerodynamische Abdeckungen dienen in erster Linie einer Nachrüstung älterer Modelle.
Bezugszeichenliste

1: Zelle
2: Hauptrotor
3: Heckausleger
4: Heckrotor
5: Hilfsflügel
6: Befestigungsstrebe
7: Spoiler
8: Verstärkungsprofil
9: Abdeckung

Claims

Hubschrauber mit mindestens einem an einer Zelle (1) angeordneten Hauptrotor (2), an welcher außerdem über einen Heckausleger (3) beabstandet von der Zelle (1) ein Heckrotor (4) zum Drehmomentausgleich angebracht ist, wobei der Heckausleger (3) mit Mitteln zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs versehen ist, welche am Heckausleger (3) mindestens genau zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegende, sich auf der der Hauptrotordrehrichtung abgewandten Seite entlang des Heckauslegers (3) erstreckende Hilfsflügel (5a, 5b) umfassen, von denen ein hauptrotornaher erster Hilfsflügel (5b) die passierende Abluft des Hauptrotors (2) in einer ersten Stufe beschleunigt, welche der nachfolgende zweite Hilfsflügel (5a) in einer zweiten Stufe höher beschleunigt.
Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hilfsflügel (5a, 5b) ein aerodynamisches Flügelprofil aufweist.
Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hilfsflügel (5a, 5b) über Befestigungsstreben (6a, 6b) beabstandet zur Oberfläche des Heckauslegers (3) angebracht ist.
Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heckausleger (3) rohrförmig ausgebildet ist und einen runden bis ovalen Grundquerschnitt aufweist.
Hubschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur aerodynamischen Unterstützung des Drehmomentausgleichs weiterhin mindestens einen sich auf der der Hauptrotordrehrichtung zugewandten Seite entlang des Heckauslegers (3) erstreckenden Spoiler (7) zur Strömungsabbremsung der diesen Bereich passierenden Abluft des Hauptrotors (2) umfassen.
Hubschrauber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spoiler (7) einen keilförmigen Querschnitt aufweist und direkt an der Oberfläche des Heckauslegers (3) angebracht ist.
Hubschrauber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spoiler (7') als ein von der Oberfläche des des Heckauslegers (3) sich gerade nach Außen erstreckendes Leitblech ausgeführt ist.
Hubschrauber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Spoiler (7''a, 7''b) als ein von der Oberfläche des des Heckauslegers (3) sich nach Außen und nachfolgend in Richtung des Hauptrotors (2) gebogen erstreckendes Leitblech ausgeführt ist.
Hubschrauber nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außen über den Heckausleger (3) verlaufende Verstärkungsprofile (8) mit aerodynamischen Abdeckungen (9; 9a, 9b) versehen sind, um dem Heckausleger (3) ein insgesamt aerodynamisches Profil zur Unterstützung des Drehmomentausgleichs zu verleihen.