Asymmetrische Auftriebserzeugung an Hubschraubern zur lokalen Entlastung der durch Dynamic Stall gefährdeten Rotorbereiche

Abstract

Helikopter erfahren im Vorwärtsflug stark asymmetrische Anströmbedingungen am Hauptrotor. Während auf der vorlaufenden Seite Transsonikeffekte zu einem erheblichen Widerstandszuwachs, stark wechselnden Lasten und hohen Lärmemissionen führen, kann auf der rücklaufenden Seite nur mit sehr großen Blattanstellwinkeln genügend Auftrieb generiert werden und es droht der Dynamic Stall. Um dieses Problem zu lösen, werden bei Compoundhubschraubern zusätzliche Tragflächen und/oder Vortriebserzeuger am Rumpf installiert, wodurch der Rotor homogen entlastet wird. Tatsächlich nötig ist eine Entlastung aber nur in den stallgefährdeten Rotorbereichen der rücklaufenden Seite. Alle anderen Regionen des Rotors können den benötigten Auftrieb problemlos generieren und werden durch eine Entlastung teilweise sogar negativ beeinflusst. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher die gezielt asymmetrische Auftriebserzeugung untersucht, um eine lokal begrenzte und präzise abgestimmte Entlastung der kritischen Rotorbereiche zu erreichen. Dadurch lassen sich bei geringstmöglichem Mehraufwand gegenüber konventionellen Helikoptern deutlich verbesserte Rotorzustände und damit nennenswerte Steigerungen von Flugleistungen und Effizienz im Reiseflug erzielen. Um die Effekte asymmetrischer Auftriebserzeugung auf den Rotor, die Steuereingaben und den Hubschrauber als Gesamtsystem besser verstehen und unter realen Flugbedingungen untersuchen zu können, wurde ein UAV-Versuchshubschrauber aufgebaut und mit einem Vierachs-Autopilotensystem ausgestattet, das es ermöglicht, vollautomatische Flüge nach GPS-Wegpunkten durchzuführen und so wiederholbare Flug- und Messzustände zu erzeugen. Den Kern der Arbeit stellt die Untersuchung der Phasenverschiebung dar. Diese wird ausgehend von starren Gyroskopen erläutert und dann auf reale Rotorsysteme unterschiedlicher Typen übertragen. Durch Schwebeflugversuche mit asymmetrischer Gewichtsverteilung konnte eine bisher unbekannte, reduzierte Phasenverschiebung entdeckt werden, die im Fall statischer Situationen wirksam wird, bei denen die Piloteneinsteuerung rein zum Ausgleich asymmetrisch einwirkender Kräfte dient. In dynamischen Fällen, die in einer Rumpfrotation resultieren, bleibt die normale Phasenverschiebung bestehen. Um die Hintergründe der reduzierten Phasenverschiebung besser zu verstehen, wurde ein Simulationstool programmiert, mit dessen Hilfe das Verhalten der einzelnen Rotortypen als Reaktion auf zyklische und kollektive Steuereingaben in statischen und dynamischen Situationen detailliert untersucht wird. Das speziell für Drehflügler entwickelte Aerodynamik- und Aeroelastik-Simulationsprogramm CAMRAD II wird genutzt, um eine Konfigurationsanalyse verschiedenster Anordnungen zur asymmetrischen Rotorentlastung an einem leichten, zweimotorigen Mehrzweckhubschrauber im Großmaßstab in Bezug auf mögliche Effizienzgewinne durchzuführen. Für die Konfiguration „Sidewing2“ ergibt sich in Kombination mit einer Drehzahlreduktion um 8 % eine Leistungseinsparung von 17,2 % im Reiseflug bei 120 kts sowie eine Reduktion des Schalldruckpegels um ca. 3,3 dB. Der Rotorzustand ist dabei als gleichwertig zum Referenzfall anzusehen, was bedeutet, dass trotz der Drehzahlsenkung keine erhöhte Stallgefahr entsteht und die Flugenveloppe unverändert erhalten bleibt. Eine praktische Anwendung asymmetrischer Rotorentlastung zur Optimierung des Reiseflugs von Hubschraubern hinsichtlich ihrer Flugleistungen, Effizienz oder Geräuschemission wird als sinnvoll erachtet.