DE102008046486A1

DE102008046486A1 - Verfahren zum Landen eines Drehflüglers und Drehflügler

Info

Publication number: DE102008046486A1
Application number: DE200810046486
Authority: DE
Inventors: Pierre Dr. Spiegel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Landen eines Drehflüglers (10), der einen Hauptrotor (12) und einen Fenestron (14), der im Normalbetrieb eine positive Heckrotor-Kraft (F_F) erzeugt und mit mindestens einer Leitschaufel (50) zusammenwirkt, umfasst, mit den Schritten: Senken eines Antriebsmoments (M_Antrieb) auf den Hauptrotor (12) so, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung auftritt, und Erzeugen einer Querkraft (F_Q) ohne Verwendung des Fenestrons (14), so dass die Heckrotor-Kraft (F_F) des Fenestrons (14) so groß bleibt, dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung zwischen einem Leitschaufel-Wirbel von der mindestens einen Leitschaufel (50) und einem Fenestron-Rotor des Fenestrons (14) entsteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Landen eines Drehflüglers, der einen Hauptrotor und einen Fenestron, der im Normalbetrieb eine Heck-Rotorkraft erzeugt und mit mindestens einer Leitschaufel zusammenwirkt, umfasst. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen Drehflügler, der einen Hauptrotor und einen Fenestron, der im Normalbetrieb eine Heckrotor-Kraft erzeugt, und mit mindestens einer Leitschaufel zusammenwirkt, umfasst.
Derartige Drehflügler, insbesondere Hubschrauber, werden für eine Vielzahl von militärischen und zivilen Zwecken eingesetzt. Nachteilig an bekannten Drehflüglern ist der teilweise beträchtliche Lärm, den diese beim Landen verursachen. Dieser Lärm ist ein Hindernis bei der weiteren Verbreitung und Nutzung von Drehflüglern für zivile Einsätze, da die Bevölkerung mit Lärm belastet wird. Bei militärischen Einsätzen führt der Lärm zu einer Erhöhung der Entdeckbarkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den von einem Drehflügler abgegebenen Lärm, insbesondere beim Landen, zu vermindern.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren mit den Schritten (i) Senken eines Antriebmoments auf den Hauptrotor, so dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung am Hauptrotor auftritt und (ii) Erzeugen einer Querkraft ohne Verwendung des Fenestrons, so dass die Heckrotor-Kraft des Fenestrons so groß bleibt, dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung zwischen einem Leitschaufel-Wirbel von der mindestens einen Leitschaufel und dem Fenestron entsteht.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch einen gattungsgemäßen Drehflügler, der eine vom Fenestron unabhängige Querkraft-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Querkraft umfasst, die in eine der Heckrotor-Kraft entgegengesetzte Richtung wirkt.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass beim Landen weniger Lärm vom Fenestron ausgeht. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei einem Anflug, der den Lärm des Hauptrotors minimiert, besonders häufig dominanter Fenestron-Lärm auftritt. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Landemanöver ermöglicht, bei dem sowohl der Lärm des Hauptrotors als auch der des Fenestrons besonders gering ist. Das senkt die Lärmbelastung der Bevölkerung bzw. die Entdeckbarkeit bei militärischen Einsätzen.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Verminderung des Lärms mit relativ einfachen Mitteln möglich ist. Der Lärm, der von einem Drehflügler abgestrahlt wird, rührt in der Regel von sehr komplexen, nicht linearen Interaktionen zwischen Rotorblättern des Hauptrotors bzw. des Heckrotors, wie beispielsweise des Fenestron-Rotors, einerseits und von diesen Rotoren verursachten Luftwirbeln andererseits her. Es hat sich aber gezeigt, dass trotz der hochgradig nicht linearen Natur der Lärmentstehung relativ einfache Strategien ausreichen, um eine signifikante Reduzierung des Lärms zu erreichen.
Vorteilhaft ist zudem, dass das Erzeugen der Querkraft ohne Verwendung des Fenestrons automatisierbar ist, so dass in diesem Fall der Pilot keine zusätzliche Aufmerksamkeit auf die Lärmminderung legen muss.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Fenestron ein gekapselter Heckrotor eines Drehflüglers, insbesondere eine Hubschraubers mit Heckrotor-Konfiguration verstanden. Der Fenestron dient zum Ausgleich des Drehmoments des Hauptrotors und ist als Impeller ausgebildet. Der Fenestron könnte damit auch als Heckimpeller bezeichnet werden.
Unter dem Merkmal, dass das Antriebmoment auf den Hauptrotor so gesenkt wird, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung am Hauptrotor auftritt, wird insbesondere verstanden, dass der Kollektivanstellwinkel θ₀ so verändert wird, dass das Antriebsmoment sinkt. Dadurch wird die Strömungskomponente von unten nach oben durch die Rotorscheibe so groß, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung am Hauptrotor auftritt, weil beispielsweise der Drehflügler hinreichend schnell sinkt oder verzögert. Zum Ändern des Kollektivanstellwinkels θ₀ wird insbesondere der Kollektivsteuerknüppel entsprechend bewegt.
Unter dem Merkmal, dass der Fenestron im Normalbetrieb eine Heckrotor-Kraft erzeugt, wird verstanden, dass der Fenestron beispielsweise bei Geradeausflug die Heckrotor-Kraft erzeugt, die dem Drehmoment des Hauptrotors entgegenwirkt. Diese Heckrotor-Kraft wirkt in der Regel senkrecht zum Heckausleger und zeigt in Richtung der bezüglich der Hauptrotorblätter vorläufigen Seite, zum Beispiel, wenn von oben auf den Drehflügler geblickt wird, nach rechts. Diese Heckrotor-Kraft im Normalbetrieb wird als positiv definiert. Der Fenestron arbeitet dann in Durchströmung, das heißt, dass Luft zunächst durch den Fenestron-Rotor, der den Heckrotor darstellt, strömt und danach auf die mindestens eine Leitschaufel. Die Heckrotor-Kraft weist in anderen Worten in Richtung des nachlaufenden Rotorblatts.
Unter dem Merkmal, dass der Fenestron mit mindestens einer Leitschaufel zusammenwirkt, ist insbesondere zu verstehen, dass Luft von dem Fenestron-Rotor auf eine Struktur trifft, die in der Regel so ausgebildet ist, dass der Luftstrom vergleichmäßigt wird. Der Fenestron-Rotor sitzt auf einer Welle, die eine Lagerung besitzt, die ihrerseits Teil des Heckauslegers ist. Es ist denkbar, dass die Leitschaufel durch diese Aufhängung gebildet ist. In der Regel sind jedoch mehrere Leitschaufeln vorhanden, um den Wirkungsgrad des Fenestron-Rotors zu erhöhen.
Unter dem Merkmal, dass das Antriebsmoment auf den Fenestron-Rotor so gesenkt wird, dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung auftritt, ist zu verstehen, dass das Antriebsmoment auf einen solchen Wert gesenkt wird, dass von Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung hervorgerufener zusätzlicher Lärm unterhalb von beispielsweise 6 dB(A) liegt. Das typische Hubschraubergeräusch wird durch derartige Blatt-Wirbel-Wechselwirkungen (englisch: blade vortex interaction, BVI) hervorgerufen. Wird das Antriebsmoment auf einen kleinen Wert abgesenkt, der beispielsweise kleiner ist als 10% des maximalen Antriebsmoments, so sinkt der Drehflügler so schnell, dass von einem Blatt des Hauptrotors hervorgerufene Wirbel sich hinreichend weit nach oben von dem Drehflügler entfernt haben, als dass ein nachfolgendes Blatt mit dem Wirbel in signifikante Wechselwirkung treten könnte. Bei hinreichend kleinem Antriebsmoment ist der Drehflügler daher besonders leise.
Unter dem Merkmal, dass eine Querkraft ohne Verwendung des Fenestrons erzeugt wird, so dass die Heckrotor-Kraft des Fenestrons so groß bleibt, dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung zwischen einem Leitschaufel-Wirbel von der mindestens einen Leitschaufel und dem Fenestron entsteht, wird insbesondere verstanden, dass der Fenestron keine oder eine betragsmäßig möglichst kleine negative Heckrotor-Kraft erzeugt. Dadurch wird vermieden, dass der Fenestron in Rückströmung arbeitet. Der Leitschaufel-Wirbel könnte auch als Leitschaufel-Nachlauf bezeichnet werden.
Arbeitet der Fenestron in Rückströmung, so strömt Luft zunächst an der mindestens einen Leitschaufel vorbei und dann auf den Fenestron-Rotor zu. Es hat sich gezeigt, dass beim Vorbeiströmen der Luft einer mindestens einen Leitschaufel Wirbel entstehen, mit denen der Fenestron-Rotor wechselwirken und dabei Lärm erzeugen kann. Der durch diese Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung hervorgerufene Lärm ist umso stärker, je größer die Strömungsgeschwindigkeit in Rückströmung durch den Fenestron-Rotor ist. In der Rückströmung erzeugt der als Fenestron ausgebildete Fenestron-Rotor eine negative Heckrotor-Kraft. Diese negative Heckrotor-Kraft wird benötigt, wenn das Antriebsmoment auf sehr kleine Werte gesenkt wird. In diesem Fall ist nur noch ein sehr kleines Drehmoment notwendig, um das Drehmoment vom Hauptrotor zu kompensieren.
Da der Heckausleger von Drehflüglern in der Regel so konstruiert ist, dass eine kompensierende Kraft bei Geradeausflug erzeugt wird, um den Fenestron beim Geradeausflug zu entlasten, kann diese Entlastungskraft bei schnellem Sinkflug durch kleines Antriebsmoment so groß werden, dass der Fenestron in Rückströmung arbeiten müsste, um den Schiebewinkel klein zu halten. Das aber führt zu unangenehmem Fenestron-Lärm. Dadurch, dass die Querkraft ohne Verwendung des Fenestron erzeugt wird, wird erreicht, dass der Fenestron nicht oder nur so geringfügig in Rückströmung arbeiten muss, dass die Lärmbelastung gering bleibt.
Bevorzugt ist der Drehflügler ein Hubschrauber, der eine Querkraft-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Querkraft, die in eine der Heckrotor-Kraft entgegengesetzte Richtung wirkt, verwendet, wobei die Querkraft dadurch erzeugt wird, dass die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung entsprechend angesteuert wird. Bei einer derartigen Querkraft-Erzeugungsvorrichtung handelt es sich bevorzugt um eine passive Vorrichtung, die einen Luftstrom so umlenkt, dass die Querkraft entsteht. Alternativ ist aber auch denkbar, eine aktive Querkraft-Erzeugungsvorrichtung vorzusehen, die mittels eines Motors die Querkraft erzeugt.
Gemäß einer nicht gezeigten alternativen Ausführungsform umfasst die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung Strömungskontrollvorrichtungen, die zum Beispiel ein Ausblasen oder Absaugen von Luft am Heckausleger ermöglichen und so die notwendige Querkraft erzeugen.
Zum Beenden der Landung umfasst das Verfahren bevorzugt die Schritte eines Erhöhens des Antriebsmoments auf den Hauptrotor, so dass die Querdurchströmung durch den Hauptrotor so groß ist, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung auftritt, und eines Aufsetzens des Hubschraubers auf dem Boden.
Bevorzugt wird die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung so angesteuert, dass die Querkraft so groß ist, dass der Hubschrauber mit seiner Längsachse in Flugrichtung aus gerichtet ist. In anderen Worten ist der Schiebewinkel β klein, beispielsweise kleiner als 10°.
Bevorzugt umfasst das Ansteuern der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung die Schritte eines Erfassens einer Geschwindigkeit, insbesondere einer Vorwärtsgeschwindigkeit, des Hubschraubers relativ zur umgebenden Luft und eines automatischen Ansteuerns der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung und/oder des Fenestron-Rotors, so dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung zwischen dem Leitschaufel-Wirbel und dem Fenestron-Rotor entsteht. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung passiv ist, das heißt, dass die erzeugte Querkraft von der Geschwindigkeit abhängt. Wenn es sich bei der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung beispielsweise um ein Seitenruder handelt, hängt die erzeugte Querkraft von der Vorwärtsgeschwindigkeit gegenüber der umgebenden Luft ab.
Denkbar ist auch, dass die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung so angeordnet ist, dass die erzeugte Querkraft von einer Sinkgeschwindigkeit relativ zur umgebenden Luft abhängt. Um den Piloten zu entlasten ist es günstig, die Ansteuerung automatisiert durchzuführen, so dass der Hubschrauber wie ein nicht-erfindungsgemäßer Hubschrauber geflogen werden kann und trotzdem Fenestron-Lärm vermieden wird.
Bevorzugt verläuft der Luftstrom stets von dem Fenestron-Rotor auf die mindestens eine Leitschaufel zu. So wird besonders wenig Lärm erzeugt, weil die Fenestron-Rotorblätter sich nie durch den eigenen Nachlauf bewegen müssen.
Alternativ oder additiv kann die Querkraft ohne Verwendung des Fenestron durch Gieren des Hubschraubers erzeugt werden. In anderen Worten wird die Querkraft dadurch ohne Verwendung des Fenestrons erzeugt, dass der Schiebewinkel vergrößert wird. Auf diese Weise können bereits existierende Hubschrauber lärmarm gelandet werden. Nachteilig ist jedoch, dass ein entsprechender Anflug für Passagiere ungewöhnlich sein kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Drehflügler, der bevorzugt ein Hubschrauber ist, kann die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung ein Seitenruder umfassen. Ein derartiges Sei tenruder ist beispielsweise am Heckausleger angebracht und übt die Querkraft dadurch aus, dass von vorne auf den Drehflügler zuströmende Luft zur Seite umgeleitet wird. Unter einem Seitenruder wird jede luftströmungsumleitende Struktur verstanden, die um eine bezüglich des Koordinatensystems des Drehflüglers vertikale Achse schwenkbar ist.
Alternativ oder additiv ist die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung so angeordnet, dass sie bei einem Sinkflug eine Querkraft erzeugt. Besonders bevorzugt ist die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung dann so angeordnet, dass sie eine einstellbare Querkraft erzeugt. Wenn der Drehflügler, insbesondere der Hubschrauber, mit geringem Antriebsmoment betrieben wird, so sinkt der Drehflügler relativ schnell. Die dadurch hervorgerufene hohe relative Strömungskomponente von unten nach oben im Hubschrauber-Koordinatensystem zur umgebenden Luft kann ausgenutzt werden, um die Querkraft zu erzeugen. Dazu ist die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung bevorzugt um eine Längsachse des Drehflüglers schwenkbar gelagert.
Um den Piloten zu entlasten ist die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung bevorzugt automatisiert betreibbar, so dass sich der Pilot um deren Steuerung nicht weiter kümmern muss und trotzdem Lärmarm anfliegen kann.
Bevorzugt umfasst der Drehflügler eine Ansteuereinheit, die ausgebildet ist zum automatischen oder halbautomatischen Durchführen eines oben genannten erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematische Zeichnung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Landeverfahrens für einen Hubschrauber,
2 einen Verlauf des Schiebewinkels bei dem Landeverfahren nach 1 bei gleich bleibender Heckrotor-Kraft,
3 eine schematische Darstellung von an einem Heckausleger eines erfindungsgemäßen Hubschraubers wirkenden Kräften im Normalbetrieb,
4 eine Darstellung der Kräfte für den Fall, dass der Hubschrauber mit einem geringen Antriebsmoment betrieben wird und schnell sinkt und schnell geradeaus fliegt,
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hubschraubers in einer Ansicht von der Seite und
6 eine Ansicht des Hubschraubers gemäß 4 von oben.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hubschraubers.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drehflügler in Form eines Hubschraubers 10, der einen Hauptrotor 12 und einen Fenestron 14 aufweist, in einem schematischen Anflugplan auf einen Landeplatz 16. Zunächst fliegt der Hubschrauber 10 mit einem Antriebsmoment M_Antrieb von mehr als 50%, insbesondere 60% eines maximalen Antriebsmoments M_Antrieb,max zu einem Punkt 18, in dem der Landeanflug beginnt. Vor dem Erreichen des Punkts 18 ist der Hubschrauber im Steigflug von beispielsweise mehr als 2°, im vorliegenden Fall 3°, mit einer Steigrate von mehr als 300 ft/min, beispielsweise 590 ft/min, bei einer Geschwindigkeit von oberhalb 90 kn, im vorliegenden Fall 110 kn geflogen.
In Punkt 18 wird das Antriebsmoment M_Antrieb auf einen Wert von unter 12% des maximalen Antriebmoments M_Antrieb,max, beispielsweise auf 6%, gedrosselt. Dadurch sinkt der Hubschrauber 10 in einer Sinkflugphase 20 so schnell, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung auftritt. Beispielsweise ist eine Trajektorie 22 in der Sinkflugphase 20 um einen Steigwinkel γ_a von weniger als –10°, beispielsweise –16°, gegen die Horizontale H geneigt. Die Geschwindigkeit liegt bei unter 90 kn, beispielsweise bei 75 kn und die Sinkgeschwindigkeit oberhalb von beispielsweise 1800 ft/min, im vorliegenden Fall 2170 ft/min.
Die Sinkflugphase 20 geht in eine kurze Anflugphase 24 über, in der das Antriebsmoment M_Antrieb auf über 50%, beispielsweise 60%, gesteigert wird und der Hubschrauber 10 auf dem Landeplatz 16 aufsetzt.
2 zeigt die Abhängigkeit eines Schiebewinkels β vom Abstand von dem Landeplatz 16. Es ist zu erkennen, dass der Schiebewinkel β in der Sinkflugphase 20 von Null verschieden ist. So ist es möglich, dass die Position eines Fußpedals, das den Fenestron 14 steuert, während der vollständigen Landephase 26 konstant gehalten wird. Vorteilhaft bei einem derartigen Anflug ist neben der geringen Geräuschbelastung, das ein Sichtfeld 28 besonders günstig auf den Landeplatz 16 gerichtet ist. Der Fenestron-Lärm ist bei diesem Landemanöver ungefähr so groß wie im Steigflug.
3 zeigt den Hubschrauber 10 mit den an einem Heckausleger 30 wirkenden Kräften. Das Antriebsmoment M_Antrieb, das angelegt wird, um einen Hauptrotor 31 mit einer Kreisfrequenz ω zu bewegen, führt zu einer Momentenkraft F_M. Die Momentenkraft F_M wird ausgeglichen durch eine Heckrotor-Kraft F_F (F steht für Fenestron) und eine Seitenleitwerk-Kraft F_S, die von einem Seitenleitwerk 32 ausgeübt wird, wenn sich der Hubschrauber 10 mit einer Vorwärtsgeschwindigkeit v_vorwärts relativ zur Luft bewegt. Das Seitenleitwerk 32 ist bei herkömmlichen Hubschraubern starr und dient dazu, um beim Geradeausflug die Leistung, die der Fenestron 14 aufbringen muss, zu verringern und so Kraftstoff zu sparen.
4 zeigt die Situation, in der die Momentenkraft F_M deutlich verringert ist, weil das Antriebsmoment M_Antrieb für einen leisen Sinkflug stark reduziert worden ist. Die Seitenleitwerk-Kraft ist jedoch weitgehend unverändert, weil die Vorwärtsgeschwindigkeit v_vorwärts, sich kaum verändert hat. In diesem Fall muss der Fenestron 14 eine negative Heckrotor-Kraft F_F aufbringen. Die oben geschilderte Situation tritt bei herkömmlichen Hubschraubern dann ein, wenn sie mit geringem Antriebsmoment M_Antrieb sich in der in 1 gezeigten Sinkflugphase 20 befinden.
In der in 4 gezeigten Situation strömt Luft wie durch den Pfeil 34 angegeben, zuerst auf in 4 nicht sichtbare Leitbleche (vergleiche 7, Bezugszeichen 50) und von diesen auf den Heckrotor, der als Fenestron-Rotor ausgebildet ist. Es entsteht dann unerwünschter Fenestron-Lärm.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Hubschrauber 10, der zwei Querkraft-Erzeugungsvorrichtungen aufweist, nämlich ein Seitenruder 36 und ein verstellbares Seitenleitwerk 38, wobei eines von beiden ausreichend wäre. Das Seitenruder 36 und das verstellbare Seitenleitwerk 38 sind mit zugehörigen Stellmotoren versehen und mit einer Ansteuereinheit 40 verbunden. Die Ansteuereinheit 40 steht ihrerseits in Verbindung mit einem Geschwindigkeitsmesser 42 in Form eines Staurohrs und einem Winkelsensor 44 an einem Kollektivhebel zum Steuern des Hubschraubers 10. Die Ansteuereinheit 40 erfasst die Geschwindigkeit und den Winkel und steuert das Seitenruder 36 und das verstellbare Seitenleitwerk 38 so an, dass eine Querkraft F_Q (vergleiche 4) erzeugt wird, die so groß ist, dass die Heckrotor-Kraft F_F wieder in die Richtung weisen kann, in der Luft zunächst durch den Fenestron und erst danach durch die Leitbleche strömt.
Alternativ zur Verwendung des Seitenruders 36 kann auch das gesamte obere Teil des mittleren Seitenleitwerks um die Hochachse gedreht werden, um seinen Anstellwinkel zu ändern.
Die Ansteuereinheit 40 kann so ausgebildet sein, dass sie erfasst, wenn der Kollektivhebel hochgezogen ist, wobei dann alle erforderlichen aerodynamischen Seitenkräfte auf die Seitenleitwerke in Richtung der Seite der vorlaufenden Hauptrotorblät ter einzustellen sind, um die Leistung zu optimieren, ohne Fenestron-Lärm zu riskieren. Bei einer Kollektivhebelstellung im unteren Bereich würden die aerodynamischen Kräfte an den Seitenleitwerken in die andere Richtung eingestellt, so dass der Fenestron immer noch in normaler Richtung belastet ist und damit leise bleibt. Die zusätzliche Berücksichtigung der Geschwindigkeit erlaubt es, die Werte der Anstellwinkel und/oder der Ruderausschläge an die Geschwindigkeit anzupassen, um die gewünschten seitlichen Kräfte für unterschiedliche Staudruckwerte am Geschwindigkeitsmesser 42 zu erhalten.
6 zeigt den Hubschrauber gemäß 5 in der Sinkflugphase 20 (vergleiche 1), bei dem das verstellbare Seitenleitwerk 38 und das Seitenruder 36 so eingestellt sind, dass die Heckrotor-Kraft F_F in die gleiche Richtung weist wie im Normalbetrieb, also in positiver Richtung.
7 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Hubschrauber 10, bei dem die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung durch einen um eine Längsachse L des Hubschraubers schwenkbaren Stabilisator 48 gebildet ist. Bewegt sich der Hubschrauber 10 mit einer Sinkgeschwindigkeit v_sink, so wird der Stabilisator von unten mit Luft angeströmt und erzeugt die gewünschte Querkraft F_Q. Der Fenestron 14 kann dann weiter so arbeiten, dass Luft zunächst durch den Fenestron und dann durch die Leitschaufeln 50.1, 50.2, ... strömt.
Zusammenfassend wird durch die Erfindung vermieden, dass der Fenestron im Zustand der Rückströmung arbeitet. Im Normalfall verläuft die Durchströmung des Fenestron derart, dass sie zuerst (erste Stufe) durch den Fenestron-Rotor (Heckrotor) führt und danach (zweite Stufe) durch den Fenestron-Stator (Leitschaufeln). In diesem Fall ist die Schallentstehung in Folge der Wechselwirkung aus Rotoren und Statoren durch Einsaugen des Nachlaufs der ersten Stufe in die zweite Stufe minimal. Die Schallentstehung an einem Blatt (Rotor oder Stator) wächst mit der Zeitableitung des Drucks auf seiner Oberfläche. Im Normalfall bewegt sich der Nachlauf des Rotors mit der Strömungsgeschwindigkeit parallel zur Fenestron-Drehachse auf die zweite Stufe (Stator, Leitschaufeln).
Wenn der Anstellwinkel der Fenestron-Rotorblätter so gestellt wird (durch Pedal, Bewegung des Piloten), dass die Strömung durch den Fenestron in die andere Richtung verläuft, was benötigt wird, um die Fenestron-Schubrichtung zu ändern, dann läuft der Nachlauf des Stators in den Rotor. Dieser Nachlauf kann erstens stark turbulent (verwirbelt) sein, da die Strömung der Statorblätter in der falschen Richtung überströmt (zuerst Hinterkante, dann Vorderkante). Zweitens erzeugt der Statorblatt-Nachlauf auf jedem Rotorblatt viel schnellere und intensivere Druckschwankungen, da der Nachlauf nicht nur mit der Durchströmungsgeschwindigkeit am Fenestron auf die Blätter trifft, sondern auch mit der hohen Rotorblattgeschwindigkeit (hohe Drehzahl). Dieses führt in der Folge zu sehr hohen Werten der Zeitableitung des Blattdrucks und damit zu hoher Schallabstrahlung von den Rotorblättern des Fenestron. Der Rückströmungsfall kann 16 db(A) lauter sein als der vorher beschriebene Normalfall und der laute Fenestron-Lärm wird als besonders störend wahrgenommen.
Um das Drehmoment von der Luft auf den Rumpf, das durch den Luftwiderstand an den Hauptrotorblättern erzeugt wird, auszugleichen, muss eine laterale aerodynamische Kraft am Heck erzeugt werden. Um bei bekannten Hubschraubern im Vorwärtsflug den Leistungsbedarf insgesamt minimal zu halten und hauptsächlich auf den Hauptrotor zu konzentrieren, ist es notwendig, die Leistung am Fenestron möglichst weit zu reduzieren. Hierzu werden Seitenleitwerke mit einem festen Anstellwinkel und/oder einen unsymmetrischen Profil eingesetzt.
Der Fenestron ist für diesen Normalfall ausgelegt: Die Luft strömt durch den Rotor, der auf der Steuerbordseite liegt und danach durch den Stator, der auf der Backbordseite liegt. Die Unterscheidung der Seiten muss für den generellen Fall nicht durch Backbord und Steuerbord definiert werden, sondern durch die Berücksichtigung der Hauptrotor-Drehrichtung. Generell ausgedrückt weisen im Normalfall, das heißt im Normalbetrieb, die seitlichen Luftkräfte auf dem Heckausleger in Richtung der Seite der vorlaufenden Hauptrotorblätter.
Die Fenestron-Rückströmung kann entstehen, wenn die Schubrichtung vom Fenestron umgekehrt werden muss. Das kann für Kursabweichungsmanöver notwendig sein, aber auch bei Flugzuständen nah an oder in der Autorotation, für welche die aerodynamische Seitenkraft am Heck Null oder fast Null sein soll, weil hier auch kein Drehmoment auf dem Hauptrotormast benötigt wird. Der Hauptrotor läuft fast leer, der Luftwiderstand an den Blättern wird direkt am Blatt durch den Antrieb infolge der Anströmung von unten nach oben ausgeglichen.
Um zu vermeiden, dass sich von null verschiedene Schiebewinkel β ergeben, ändert der Pilot dann mit Hilfe der Pedale den Fenestron-Schub, um ihn in die Gegenrichtung zu stellen. Der Autorotationsflug ist tatsächlich auch ein Vorwärtsflug, bei dem die Seitenleitwerke bei gleichzeitigem Sinken angeströmt werden. Die Fenestron-Schubrichtung und seine Strömungsrichtung sind umgekehrt, was aus den oben erwähnten Gründen sehr laut ist.
Die Steuerung der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung kann von Hand geschehen oder automatisch. Die automatische Lösung kann durch einen speziellen Regler geleistet werden, der beliebig viele Flugparameter, wie beispielsweise die Drehmomente der Triebwerke oder des Hauptrotors, die Geschwindigkeit, Releativgeschwindigkeiten zur Luft, und so weiter, und Pilotenangaben, wie Pedal- oder Kollektivhebelstellung, berücksichtigt. Eine einfache und effiziente Lösung ist es, die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung, insbesondere ein verstellbares Seitenleitwerk oder Seitenruder mit dem Kollektivhebel zu koppeln. Der kollektive Anstellwinkel auf dem Hauptrotor, der mit dem Kollektivhebel gesteuert ist, steuert auch fast linear das Hauptrotordrehmoment, was wiederum den Bedarf an Seitenkräften am Heck bestimmt. Die Seitenleitwerksteuerung kann so entworfen werden, dass für jeden kollektiven Anstellwinkel am Hauptrotor der Fenestron mit immer genug Schub in Richtung der Seite des vorlaufenden Hauptrotorblatts arbeitet und mithin ohne Schiebewinkel geflogen werden kann. Im Vergleich zum heutigen Zustand würden dann die Seitenleitwerke und/oder angebrachte Ruder ihren Anstellwinkel ändern, wenn der Kollektivhebel gesenkt wird. Das kann, muss aber nicht, im Rahmen einer linearen Abhängigkeit erfolgen. Diese Abhängigkeit der Seitenleitwerksteuerung vom Kollektivhebel könnte für eine mittlere gesamte Geschwindigkeit von beispielsweise ungefähr 75 kn ausgelegt sein.
Bevorzugt ist die Ansteuereinheit 40 so ausgelegt, dass Notfallmanöver, wie etwa die volle Autorotationslandung durch eine Panne der Ansteuereinheit nicht eingeschränkt werden.
Die Ansteuereinheit der Seitenleitwerke könnte auch weiteren Zwecken dienen, beispielsweise könnten bei einem Ausfall des Fenestrons die steuerbaren Seitenleitwerke eine Ersatzkontrolle des Headings ermöglichen.

10: Hubschrauber
12: Hauptrotor
14: Fenestron
16: Landeplatz
18: Punkt
20: Sinkflugphase
22: Trajektorie
24: Anflugphase
26: Landephase
28: Sichtfeld
30: Heckausleger
32: Seitenleitwerk
34: Pfeil
36: Seitenruder
38: verstellbares Seitenleitwerk
40: Ansteuereinheit
42: Geschwindigkeitsmesser
44: Winkelsensor am Kollektivknüppel
46: oberes Teil
48: Stabilisator
50: Leitschaufel
M_Antrieb: Antriebsmoment
M_Antrieb,max: maximales Antriebsmoment
αγ_a: Steigwinkel
β: Schiebewinkel
ω: Kreisfrequenz
F_M: Momentenkraft
F_F: Heckrotor-Kraft
F_Q: Querkraft
F_s: Seitenleitwerk-Kraft
V_vorwärts: Vorwärts-Geschwindigkeit relativ zur Luft
V_sink: Sinkgeschwindigkeit

Claims

Verfahren zum Landen eines Drehflüglers (10), der (a) einen Hauptrotor (12) und (b) einen Fenestron (14), der im Normalbetrieb eine positive Heckrotor-Kraft (F_F) erzeugt und mit mindestens einer Leitschaufel (50) zusammenwirkt, umfasst, mit den Schritten: (i) Senken eines Antriebsmoments (M_Antrieb) auf den Hauptrotor (12) so, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung auftritt, und (ii) Erzeugen einer Querkraft (F_Q) ohne Verwendung des Fenestrons (14), so dass die Heckrotor-Kraft (F_F) des Fenestrons (14) so groß bleibt, dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung zwischen einem Leitschaufel-Wirbel von der mindestens einen Leitschaufel (50) und einem Fenestron-Rotor des Fenestrons (14) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Drehflügler ein Hubschrauber (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubschrauber (10) eine Querkraft-Erzeugungsvorrichtung zum Erzeugen einer Querkraft (F_Q), die in eine der Heckrotor-Kraft (F_F) entgegen gesetzte Richtung wirkt, umfasst, mit dem Schritt: (iii) Ansteuern der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (36, 38, 46, 48), so dass die Querkraft (F_Q) entsteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: (iv) Erhöhen des Antriebsmoments (M_Antrieb) auf den Hauptrotor (12), so dass der Hubschrauber (10) so langsam sinkt, so stark verzögert, so schnell steigt oder so schnell beschleunigt, dass keine Blatt-Wirbel-Wechselwirkung auftritt, und (v) Aufsetzen des Hubschraubers (10).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt: – Ansteuern der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (36, 38, 46, 48), so dass die Querkraft (F_Q) so groß ist, dass der Hubschrauber (10) mit seiner Längsachse (L) in Flugrichtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (36, 38, 46, 48) die folgenden Schritte umfasst: – Erfassen einer Geschwindigkeit, insbesondere einer Vorwärtsgeschwindigkeit (v_vorwärts), des Hubschraubers (10) relativ zur umgebenden Luft und – automatisches Ansteuern der Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (36, 38, 46, 48) und/oder des Fenestrons (14), so dass keine Blatt-Nachlauf-Wechselwirkung zwischen dem Leitschaufel-Wirbel und dem Fenestron-Rotor entsteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom durch den Fenestron (14) stets von dem Fenestron-Rotor auf die mindestens eine Leitschaufel zu verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugen einer Querkraft (F_Q) ohne Verwendung des Fenestrons (14) ein Gieren des Hubschraubers (10) umfasst.
Drehflügler, der (a) einen Hauptrotor (12) und (b) einen Fenestron (14), der im Normalbetrieb eine Heckrotor-Kraft (F_F) erzeugt und mit mindestens einer Leitschaufel (50) zusammenwirkt, umfasst, gekennzeichnet durch (c) eine vom Fenestron (14) unabhängige Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (36, 38, 46, 48) zum Erzeugen einer Querkraft (F_Q), die in eine der Heckrotor-Kraft (F_F) entgegen gesetzte Richtung wirkt.
Drehflügler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung ein Seitenruder (36) ist.
Drehflügler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (36, 38, 46, 48) so angeordnet, insbesondere schwenkbar gelagert, ist, dass sie bei einem Sinkflug eine Querkraft (F_Q) erzeugt.
Drehflügler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkraft-Erzeugungsvorrichtung (48) um eine Längsachse (L) des Drehflüglers (10) schwenkbar gelagert ist.
Drehflügler nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Ansteuereinheit (40), die ausgebildet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.