Wäre es effektiver, die Länge oder Sehne eines Rotorblatts zu erhöhen, um eine bessere Leistung zu erzielen?

Es ist nicht so einfach. Blattlänge, Sehne und Motorleistung sind auf komplexe Weise miteinander verbunden, und für jede gewünschte Leistung gibt es eine optimale Kombination dieser Parameter.

Rotoren (und Flügel) erzeugen Auftrieb, indem sie Luft nach unten beschleunigen. Der Auftrieb ist proportional zur Trägheitsänderungsrate der Luft. Dies verändert jedoch auch die kinetische Energie der Luft und erfordert daher Energie. Dies wird als induzierter Widerstand bezeichnet.

Da die Trägheit proportional zur Geschwindigkeit ist, die kinetische Energie jedoch proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, ist es effizienter, eine größere Luftmenge auf eine niedrigere Geschwindigkeit zu beschleunigen.

Die betroffene Luftmenge ist proportional zur Fläche der Rotorscheibe (der gesamten Fläche, in der sich die Schaufeln bewegen) und das ist einfach ($\pi\times$) Quadrat der Klingenlänge. In gewissem Sinne ist die Antwort also einfach: Nur die Klingenlänge hat eine Wirkung, die Klingensehne nicht.

Eine Erhöhung der Klingenlänge erhöht jedoch auch die Form und den Hautwiderstand der Klingen, sodass der Formwiderstand über einen bestimmten Punkt hinaus den induzierten Widerstand übersteigt und jede zusätzliche Erhöhung der Klingenlänge die Effizienz nicht weiter verbessert.

Noch wichtiger ist, dass eine längere Klinge schwerer ist und daher stärker sein muss, um der Zentrifugalkraft beim Drehen standzuhalten, und steifer, damit sie sich nicht zu stark verbiegt, wenn sie nicht dreht. Aber dadurch wird es noch schwerer und Sie erreichen einen Punkt, an dem Sie die Fähigkeiten des Materials einfach überschreiten. Und höheres Gewicht bedeutet natürlich auch, dass mehr Auftrieb benötigt wird. Diese Effekte werden die optimale Länge der Klingen weiter reduzieren.

Die Blattsehne ist dann ein sekundärer Parameter, der von zwei Aspekten bestimmt wird: Die Sehne muss lang genug sein, damit die Blätter den erforderlichen Auftrieb erzeugen können, ohne abzuwürgen, und sie müssen stark genug sein, wobei die Stärke proportional zu Sehnenmal Dicke ist.

Wenn Sie also die Belastung verbessern möchten, können Sie versuchen, die Effizienz zu verbessern, was Sie tun könnten, indem Sie die Schaufeln länger machen, aber Sie müssen ein Material mit höherer spezifischer Festigkeit finden, da sonst das erhöhte Gewicht die verbesserte aerodynamische Effizienz überwiegt.

Wenn Sie das nicht haben, müssen Sie in erster Linie die Leistung der Motoren erhöhen. Die optimale Klingenlänge ist dann zwar auch länger, aber man stößt schnell an die Grenzen des Materials; Deshalb gibt es Hubschrauber mit mehreren Rotoren.

Wenn Sie stattdessen Geschwindigkeit meinten, ist das ein ganz anderes Thema und da spielen weder Klingenlänge noch Akkord eine nennenswerte Rolle. Bei der Vorwärtsbewegung wird die Geschwindigkeit eines Hubschraubers durch zwei Einschränkungen begrenzt: Ein ausreichender Teil des sich zurückziehenden Blattes muss sich relativ zum Luftstrom nach hinten bewegen, und die Spitze des vorrückenden Blattes darf die Schallgeschwindigkeit nicht überschreiten (eigentlich kritische Machzahl, die ist etwas tiefer). Die erste Anforderung bedeutet, dass die Spitzengeschwindigkeit etwa dreimal höher sein muss als die maximale Vorwärtsgeschwindigkeit, da sonst die zurückweichende Seite des Rotors nicht genügend Auftrieb erzeugen kann und das Flugzeug auf diese Seite rollt. Zusammen mit dem zweiten Parameter begrenzt er die Geschwindigkeit auf etwa ein Viertel der kritischen Mach. Es gibt einige experimentelle Hubschrauber mit zwei Rotoren (ineinandergreifend, Seite an Seite), die nicht stört die Auftriebsasymmetrie nicht und kann etwas schneller fliegen. Aber es hat nichts mit der Klingenlänge zu tun; Blätter mit größerem Rotor drehen sich bei niedrigeren Drehzahlen, um eine ähnliche Spitzengeschwindigkeit beizubehalten.

Hubschrauberleistung, wie in Leistung erforderlich für:

1. Maximale Höhe
2. Decke schweben
3. Steiggeschwindigkeit
4. Maximale Geschwindigkeit

Die Punkte 1. 2. und 3. laufen auf die Frage hinaus: Wie können wir den Schub für eine gegebene installierte Triebwerksleistung maximieren? Dies erfolgt durch Erhöhen der Blattspannweite und Verringern der Rotorfestigkeit (Blattsehne und Anzahl der Blätter), analog zu einem höheren Seitenverhältnis für eine bestimmte Flügelfläche in einem Starrflügel. Dafür gibt es eine Grenze: Beim Schweben möchten wir die kritische Machzahl nicht überschreiten, da wir dann sinnlos die Motorleistung zur Überwindung des Kompressibilitätswiderstands verwenden. Die Antwort zu den Punkten 1. 2. und 3.: Klingenlänge.

Punkt 4. ist ein Sonderfall, jetzt wollen wir die Blattspannweite verringern und die Blattfestigkeit erhöhen, um den Auftrieb beizubehalten. Auch hier ist die kritische Machzahl der limitierende Faktor, da nun die Spitzengeschwindigkeit zur Vorwärtsgeschwindigkeit des Helikopters addiert wird. Eine einzelne Rotorscheibe wird nach vorne geneigt, um Schub zu erzeugen, und muss auch noch den gesamten erforderlichen Auftrieb erzeugen. Die Entlastung der Rotorscheibenbelastung ermöglicht eine höhere Drehzahl, entweder durch:

• Eine stärker nach vorne geneigte kleinere Rotorscheibe in Kombination mit einem Starrflügel bewirkt, dass der Rotor eher wie ein Propeller funktioniert und eine höhere Vorwärtsgeschwindigkeit ermöglicht.
• Die Verwendung von gegenläufigen Doppelrotoren ermöglicht kürzere Blätter pro Rotor.
• Verwenden separater Propeller für den Schub, wie bei einem Tragschrauber.
• Neigen der Rotoren, sodass bei hoher Geschwindigkeit ein Starrflügel für den Auftrieb und die überdimensionalen Propeller für den Schub sorgen.

Die Antwort zu Punkt 4.: Blattakkord, aber lieber mehr Blätter, oder ein anderer Rotor, oder ein zusätzlicher Starrflügel.

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Den Geschwindigkeitsrekord für einen reinen Einrotor-Hubschrauber hielt seit letztem Jahr der Westland Lynx, der mit einer speziellen Hochgeschwindigkeits-Wing-Tip-Technologie die kritische Machzahl hinausschiebt.

Das Überschreiten von 200 Knoten ist für einen reinen Hubschrauberfahrer eine seltene Erfahrung. Kipprotoren können dies routinemäßig tun. Auch dieser Compound-Helikopter ist auf Geschwindigkeit ausgelegt.

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Ich nehme an, Sie fragen speziell nach einer Erhöhung des Auftriebs. Es gibt viele andere Einschränkungen und Probleme, die bei der Konstruktion eines Tragflügels ins Spiel kommen, aber hier ist die kurze Antwort.

Denken Sie daran, dass der Hauptbegrenzungsfaktor der Luftwiderstand am Flügel sein wird. Es gibt zwei Hauptarten des Widerstands: Formwiderstand und Oberflächenwiderstand. Formwiderstand ist der Luftwiderstand, der durch die Fläche und Form eines Objekts verursacht wird, das sich durch die Luft bewegt - stellen Sie sich das vor, als würden Sie Ihre Hand mit der Handfläche nach vorne aus dem Fenster Ihres Autos halten. Die andere Art des Widerstands ist der Oberflächenwiderstand, das ist der Widerstand, der durch die Oberfläche parallel zum Luftstrom verursacht wird – stellen Sie sich das vor, als würden Sie Ihre Hand mit dem Daumen nach vorne aus dem Fenster halten.

Der Auftrieb ist proportional zur Oberfläche des Strömungsprofils. Das Erhöhen der Größe des Tragflächenprofils erhöht den Oberflächenwiderstand unabhängig vom Wetter, wenn Sie die Länge oder Breite erhöhen. Eine Verlängerung eines Tragflügels führt jedoch zu mehr Formwiderstand, während eine Erhöhung der Sehne "nur" den Oberflächenwiderstand erhöht.

Die kurze Antwort auf Ihre Frage lautet also: Das Erhöhen des Akkords ist effizienter als das Erhöhen der Länge. Offensichtlich ist aber noch viel mehr im Spiel, sonst wären Helo-Rotoren kurz und gedrungen!