Gibt es Hubschrauber in Originalgröße, die einen Rückenflug aufrechterhalten können?

Hintergrund

Ich bin ein begeisterter Modellflieger und finde es toll zu sehen, wie weit Menschen die Grenzen des Kunstflugs verschieben können. Modellflugzeuge können aufgrund ihrer geringen Größe die Grenzen weit über den vollen Maßstab hinaus verschieben. Ich verstehe, dass dies nur möglich ist, weil die Modelle klein* sind, damit sie Kräften standhalten können, die alle Insassen in einem bemannten Fahrzeug töten würden. Außerdem sind Modellflugzeuge im Vergleich zu Flugzeugen in Originalgröße typischerweise übermotorisiert

Zum Beispiel habe ich kein Modellflugzeug, das nicht 30 Grad steigen kann, und es ist ziemlich üblich, dass Kunstflugmodellflugzeuge ein Schub-zu-Gewicht-Verhältnis von mehr als 1,5:1 oder sogar 2:1 haben.

Frage

Als ich zum ersten Mal sah, wozu Modellhubschrauber fähig sind, war ich überwältigt. Nachdem ich auch Hubschrauber-Kunstflug in Originalgröße gesehen habe ( Red Bull Demonstration ), habe ich mich gefragt, wozu Hubschrauber in Originalgröße in der Lage sind.

Bei der Red Bull-Demonstration sah es so aus, als würde der Helikopter beim Rollen ein negatives (oder zumindest neutrales) Kollektiv verwenden, es schien jedoch nicht, dass er genug hätte, um einen umgekehrten Schwebeflug oder einen umgekehrten Flug auszuhalten. Das brachte mich zum Nachdenken: Gab es einen Hubschrauber in Originalgröße, der in der Lage war, einen umgekehrten Flug oder einen umgekehrten Schwebeflug (der noch mehr Kraft erfordert) aufrechtzuerhalten? Wenn dies nicht der Fall ist, wäre es möglich, einen Hubschrauber zu bauen, der dazu in der Lage wäre?

Notiz

Ich frage mich nur über die technische Möglichkeit, eine Maschine zu bauen, die zu diesem Manöver fähig ist. Für den Umfang dieser Frage ignorieren Sie bitte die regulatorischen, rechtlichen und wirtschaftlichen Hindernisse, die überwunden werden müssten, um ein solches Kunststück zu versuchen (ganz zu schweigen davon, einen Piloten zu finden, der bereit ist, es zu versuchen).

Außerdem frage ich nur nach einem umgekehrten Flug in voller Größe. Ich verstehe, dass die Physik sehr schnell in die Quere kommt, wenn jemand versuchen würde, einen Hubschrauber in Originalgröße zu entwerfen, der für alle Kunstflugmodelle geeignet ist.

*Einige Modellflugzeuge und Helikopter können mehr als 35 % der Originalgröße haben, aber das ist immer noch wenig im Vergleich zu Flugzeugen in Originalgröße.

Ich glaube, dass der AH-64 ohne Vorwärtsfluggeschwindigkeit um 360 ° rollen kann und dabei an Höhe verliert. Entweder habe ich es gesehen oder eine Illusion. Auf Youtube finde ich aber keine Hinweise. Ich würde mich freuen, wenn mich jemand korrigiert oder einen Videobeweis postet. Ich frage mich seit Jahren, was ich gesehen habe.
Denken Sie daran, dass Designs nicht mit der gleichen Kraft wie ihre lineare Größe skaliert werden. Es geht nicht nur um das Töten von Insassen. Von akrobatischen Tricks ganz zu schweigen, ein originalgetreu nachgebautes Modellflugzeug würde wahrscheinlich bei den langweiligsten Flugversuchen auseinander gerissen werden.

Antworten (1)

Es gibt keinen wirklichen Helikopter, der in der Lage ist, einen Rückenflug auszuhalten, und schon gar nicht, um in Rückenlage zu schweben.

Der einfache Grund ist, dass dafür keine betriebliche Notwendigkeit besteht.

Ist es theoretisch möglich? Ja, aber Sie müssen viele technische Probleme überwinden. Zusätzlich zu umgekehrten Kraftstoff- und Ölsystemen wird der Rotorkopf viel komplexer sein, als es sein muss.

Beim normalen Fliegen hängt der Rumpf effektiv wie ein Pendel unter dem Rotor mit einer großen Mutter (OK, es ist komplexer als das), die den Rotor auf der Rotorwellennabe hält. Der Rotor zieht den Rumpf nach oben.

Um umgekehrt zu fliegen, muss der Rotor in der Lage sein, den Rumpf nach oben zu drücken, sodass die Nabe so konstruiert sein müsste, dass sie die entsprechenden Kräfte in beide Richtungen aufbringt und aushält.

Dann müssen die Manschetten der rotierenden Blätter und die zugehörigen Scharniere so konstruiert sein, dass die Blätter über den gesamten Bereich eine negative Steigung (von der normalen Einstellung aus gesehen) haben können. Das bedeutet wiederum, dass die Sammelmechanik so ausgelegt sein muss, dass eine positive und negative Steigung beliebig eingestellt werden kann.

Die Blätter müssten auch steifer sein, damit sie sich nicht übermäßig verjüngen und den Rumpf berühren. Dies würde den Kopfgelenken mehr Kräfte hinzufügen, die verstärkt werden müssten.

Schließlich müssen Sie die zyklischen Steuerungen "umkehren", damit der erwartete Kollektivdruck zyklisch zurückkehrt; Nase hoch; Geschwindigkeit verringern; wirkt im umgekehrten Sinne.

Andere Faktoren habe ich wohl nicht berücksichtigt.

All dies würde die Komplexität und das Gewicht erheblich erhöhen, was nicht passieren wird, da kein Rückenflug erforderlich ist.

Übrigens, die Kraft, die benötigt wird, um in Rückenlage zu fliegen oder zu schweben, wäre die gleiche wie beim normalen Flug. Es gibt keinen eigentlichen Grund, warum ein Rückenflug mehr Leistung benötigen würde - Blätter, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit und einem bestimmten Anstellwinkel drehen, erzeugen die gleiche Menge an Auftrieb, egal in welche Richtung sie zeigen.

Dies ist bei Modellhubschraubern möglich, da das Verhältnis des Rotorgewichts zum Rumpfgewicht viel geringer ist als bei einem echten Hubschrauber und daher viel weniger Kraft benötigt wird, um den erforderlichen Auftrieb zu erzeugen, und Modelle viel haben höheres Leistungsgewicht.

Der Grund, warum echte Hubschrauber bei Kunstflugmanövern für kurze Zeit invertiert werden können, liegt darin, dass der Schwung am Rumpf vom Rotor weggezogen wird, sodass dem nach oben zum Rumpf weisenden Auftriebsvektor entgegengewirkt wird. Betrachten Sie eine äußere Schleife, die unmöglich wäre, da sich der Impuls des Rumpfes und der Auftriebsvektor kombinieren würden.

Sie sollten dies an einem Modell mit einem normal konstruierten starren Kopf demonstrieren können. Fügen Sie etwas (sicheren) Ballast im Rumpf hinzu, bis Sie im Bodeneffekt beschleunigen müssen, um einen Translationsauftrieb zu erhalten, um aussteigen zu können. Versuchen Sie nun, in Rückenlage zu fliegen!

Das habe ich mir ungefähr gedacht. Der Mangel an Bedarf in Kombination mit der erforderlichen zusätzlichen Technik bedeutet, dass dies einfach nicht passieren wird.
Würde ich in Bezug auf Ihren Punkt zur Leistung zu Recht davon ausgehen, dass die Blätter ein symmetrisches Tragflächenprofil haben, wenn sie für einen bestimmten Anstellwinkel den gleichen positiven oder negativen „Auftrieb“ erzeugen?
@ jdkorv11 Nicht unbedingt, obwohl viele Klingen symmetrisch sind. Wenn nicht, müssen Sie nur den Anstellwinkel erhöhen. Denken Sie daran, dass Kraft benötigt wird, um den Luftwiderstand zu überwinden, der davon abhängt, wie viel Auftrieb erzeugt wird. Um die gleiche Menge an Auftrieb von einem bestimmten Flügel zu erzeugen, ist die gleiche Menge an Leistung erforderlich, unabhängig davon, wohin der Auftriebsvektor zeigt. Stellen Sie sich eine stationäre Klinge vor. Sie können den Anstellwinkel (Pitch) beliebig einstellen, ohne Kraft, da keine Geschwindigkeit = kein Auftrieb = kein Luftwiderstand.
Danke fürs klarstellen. Ich ging davon aus, dass der Rotor auf Drehzahl war und mit der nötigen Energie versorgt wurde, um den Flug aufrechtzuerhalten. Das hätte ich angeben sollen. Sind Hubschrauber normalerweise in der Lage, ein negatives Kollektiv bereitzustellen? Ich würde es vermuten, aber das ist nur eine Vermutung.
@ jdkorv11 Soweit ich weiß nicht. Alle Typen, die ich geflogen bin, haben einen leichten positiven Pitch, wenn das Kollektiv vollständig unten ist, um die Rotordrehzahl in der Autorotation zu steuern. Die Fähigkeit, ohne den stärkeren Kopf und die steiferen Blätter, die ich in der Antwort erwähne, eine negative Steigung zu erzeugen, würde die Wahrscheinlichkeit eines Rotorschlags erhöhen.
Danke für den Einblick. Obwohl ich mit den Modellen ziemlich zufrieden bin, kenne ich die Herausforderungen nicht, denen Helis in Originalgröße gegenüberstehen. Zum Beispiel müssen sich Modelle normalerweise keine Gedanken über Rotorschläge machen, daher habe ich diese Probleme noch nie wirklich als Problem angesehen. Auch Kunstflugmodelle lassen oft so viel negatives Kollektiv wie positives zu, deshalb habe ich mich über den vollen Maßstab gewundert.
@ jdkorv11 Gern geschehen.
Das Pendelargument funktioniert nicht. Bei einem Pendel muss die Kraft am Scharnier immer nach oben sein, aber der Auftrieb kippt mit dem Rotor und dieser kippt mit dem Rumpf. Drehflügler sind nicht stabil und ein höherer oder niedrigerer CoG ändert dies nicht (wie es die Rollstabilität in Starrflügelflugzeugen nicht ändert).
Ich habe das Gefühl, dass der Teil über "Die Schwerkraft wird versuchen, den Rumpf nach unten und seitwärts zu ziehen, das Pendel wird versuchen, nach unten zu schwingen" möglicherweise unter etwas leidet, das dem Irrtum der Pendelrakete ähnelt .
Wie haben sie also die Szene gegen Ende von Escape to Witch Mountain gedreht ? Das war 1975, lange vor CGI-Effekten.
@JDługosz Ich habe keine Ahnung, du fragst besser die Filmemacher. Es sei denn, Sie schlagen vor, dass der Hubschrauber verkehrt herum geflogen sein muss, weil CGI nicht existierte. In diesem Fall würde ich Sie fragen, wie sie den Van zum Fliegen gebracht haben? Oder jede andere Anzahl von Spezialeffekten, die verwendet werden. Übrigens wurde CGI erstmals 1973 in Filmen verwendet, und davor wurden viele Techniken wie Matting und Compositing verwendet.
@JanHudec Tatsächlich tut es das. Ich fing an, einige ziemlich lange Kommentare zu schreiben, die erklärten, warum, aber es verstopfte die Dinge einfach, also lösche ich einfach den Absatz. Ich denke, ich habe ziemlich gut erklärt, warum Hubschrauber nicht in Rückenlage fliegen. Vertikaler Schwerpunkt wirkt sich sicherlich auf die Rollstabilität aus, er ist bei einem Starrflügel einfach nicht relevant, da es nicht möglich ist, den Schwerpunkt vertikal signifikant vom aerodynamischen Zentrum weg zu bewegen. Das ist ungefähr dort, wo die Flügel sind. Bei einem Hubschrauber liegt der CofG deutlich unter dem aerodynamischen Zentrum, zumindest wenn er nicht invertiert ist :)
@Simon, ja, es ist kompliziert (bei Starrflügelflugzeugen spielt es tatsächlich auch eine Rolle für den Schlupf ; es spielt keine Rolle für das Rollen allein). Wie auch immer, alle anderen Gründe, die Sie angegeben haben, sind gut.
@ user2357112, ja, das tut es. Aber dann wird es komplizierter, denn wenn das Flugzeug tatsächlich anfängt, seitwärts zu fliegen, wird eine andere aerodynamische Kraft auftreten, die nun in der Lage sein wird, ein Drehmoment zu erzeugen. Es gibt also tatsächlich einen Effekt, aber er kann nicht mit Pendeln erklärt werden.
Ich glaube nicht, dass der Zyklus geändert werden muss: Ein Pilot könnte für den Umgang mit dem Rückenflug trainiert werden. Und ich schätze, wir müssen einen Draufgänger davon überzeugen, einen Hubschrauber tatsächlich zu modifizieren - aus meiner Sicht gibt es nur praktische Überlegungen, keine grundlegenden Einschränkungen.
@ user2357112: Der Pendelfehlschluss ist die Idee, dass die Montage des Hubgenerators über dem CoG zu einer passiven Haltungsstabilität führt. Das ist falsch; Unabhängig davon, ob sich der Rotor über oder unter dem Fahrzeug befindet, müssen Sie die Auftriebsrichtung aktiv steuern, um einen stabilen Flug zu erzielen. In einem Helikopter bietet das der Zykliker. Dennoch benötigen Sie eine schnellere und/oder präzisere Steuerung , um Ihr Fahrzeug auf dem Hebepunkt ausbalancieren zu können, als wenn Sie daran baumeln. Das ist bei Raketen einfacher zu bewerkstelligen, weil von ihnen sowieso nicht erwartet wird, dass sie schweben.
"Betrachten Sie eine Außenschleife, die unmöglich wäre, da sich der Schwung des Rumpfes und der Auftriebsvektor kombinieren würden." Nach dieser Logik sollten Außenschleifen auch für Flächenflugzeuge unmöglich sein.
Die meisten Hubschrauber in voller Größe können ein negatives Kollektiv anwenden; Dies ist erforderlich, um bei Stromausfall automatisch rotieren zu können (was von allen Hubschraubern erwartet wird, um flugzertifiziert zu sein). Genügend negatives Kollektiv zu haben (zusammen mit all den anderen Faktoren), um umgekehrt zu fliegen oder zu schweben, ist eine ganz andere Sache.
Ich habe damals geschrieben, dass es kein Pendel gibt, aber das stimmt nicht ganz. Der Rumpf hängt ziemlich genau wie ein Pendel unter dem Rotor. Der Rotor wird durch Anpassung der von ihm erzeugten aerodynamischen Kräfte geneigt, aber der Rumpf kann darunter herumschwingen. Dies trägt zwar aus den oben genannten Gründen noch nicht zur Stabilität bei, würde aber im Rückenflug zusätzliche Instabilität erzeugen. Tatsächlich haben einige Konstruktionen ein Problem, das bereits bei geringer positiver Belastung als Maststoß bezeichnet wird.
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