Wie dreht sich ein Helikopter automatisch? Die Kraft der Luft, die auf alle Blätter drückt, würde sich ausgleichen. Nicht wahr?

Ihnen fehlt ein wesentliches Detail: Der Anstellwinkel von Helikopter-Rotorblättern lässt sich verändern. Dies wird als kollektive Tonhöhe bezeichnet .

Wenn der Strom ausfällt, ändert der Pilot den Blattwinkel so, dass die Drehrichtung beibehalten wird, aber jetzt entzieht der Rotor dem aufwärts gerichteten Luftstrom Energie, anstatt Luft nach unten zu drücken. Beachten Sie, dass die Blätter immer noch Auftrieb erzeugen, aber aufgrund der Tatsache, dass die Strömung in sie hinein eine Aufwärtskomponente hat, wird die Auftriebskraft auf die Blätter nach vorne geneigt, so dass die horizontale Komponente die Blätter in Drehung versetzt. Jetzt fliegt der Hubschrauber ähnlich wie ein Segelflugzeug und tauscht kontinuierlich Höhe gegen Vorwärts- und Rotorgeschwindigkeit. Dies ist für alle Blätter gleich, und jedes Blatt zieht den Rotor nach vorne.

In Bodennähe zieht der Pilot nun am Pitchhebel und erhöht kurzzeitig den Auftrieb an den Blättern. Dies ist ein dynamisches Manöver und muss gut koordiniert werden. Jetzt nimmt die Auftriebskraft zu, aber der Auftriebsvektor an jedem Blatt zeigt leicht nach hinten, sodass sich der Rotor nach unten dreht. Jetzt tauscht der Pilot die gespeicherte Rotationsenergie des Rotors gegen erhöhten Auftrieb, um die Sinkgeschwindigkeit zu reduzieren und zu einer sanften Landung zu kommen. Dies erfordert eine minimale Rotorträgheit, um genügend Energie zum Verzögern zur Verfügung zu haben.

Ich werde meine Antwort kurz und bündig halten, denn die beste Antwort, die Sie erhalten können, ist, sich das Smarter Every Day-Video über die Funktionsweise der Autorotation anzusehen . Es dauert 9 Minuten, mit großartigen Bildern, die den Prozess erklären, und weitaus besser als jede Textantwort jemals sein könnte.

Für diejenigen, die die Verbindung nicht treffen wollen, ist einer der Hauptfaktoren bei der Autorotation die lineare Geschwindigkeit der Luft über die Blätter. Luft bewegt sich tatsächlich schneller über die Teile der Schaufel, die weiter von der Mitte entfernt sind. Hubschrauberpiloten können diesen Trick nutzen, um beim Fallen Kraft zu erzeugen. Die inneren Teile können durch die Luft geschoben werden (weil sich die inneren Teile der Klinge langsam bewegen), während die äußeren Teile tatsächlich Luft drücken, als ob der Motor noch läuft!

Ein Pilot wird tatsächlich die Neigung der Blätter anpassen, um diese Effekte auszugleichen, um langsam abzusteigen, während er ein bisschen zusätzliche Energie übrig behält, die er kurz vor dem Ende verwenden kann, um sicher zu landen.

Das ist eine gute Frage. Die Sache mit der Autorotation ist, dass sie nicht sehr gut funktioniert, wenn man sie vom Standpunkt des vertikalen Fluges aus betrachtet - es ist nicht wirklich eine Windmühle. Das beste Beispiel zur Erklärung des Prinzips der Autorotation ist der Tragschrauber: Er fliegt immer in Autorotation, aber nie senkrecht. Oder zumindest nie lange sehr erfolgreich. Aus Prinzipien der Helikopter-Aerodynamik von J. Gordon Leishman:

Das Bild illustriert ein ziemlich wichtiges Thema: Es identifiziert Auftriebs- und Widerstandskräfte im Vorwärtsflug. Wenn der Tragschrauber oder Helikopter vertikal absinken würde, würde der Rotor nur einen Luftwiderstand erzeugen, da der Luftwiderstand als die Kraft in Richtung der Fluggeschwindigkeit definiert ist. Erhöhter Widerstand, wie ein Fallschirm. Der Rotor würde wie eine teildurchlässige Festscheibe wirken. Das würde nicht sehr gut funktionieren, um den Tragschrauber oder Helikopter am Fallen zu hindern.

Es ist viel effektiver, wenn sich der Rotor wie ein Flügel verhält: Der Vorwärtsflug erzeugt eine Auftriebskraft, und der Luftwiderstand wird durch einen Propeller oder durch Energieabsorption durch Verringerung der potenziellen Energie überwunden. Mit anderen Worten, wenn es sich wie ein Segelflugzeug verhält. Segelflugzeuge gleiten auch nicht sehr erfolgreich in vertikaler Richtung ... oder bei hohen Anstellwinkeln, die in Ihrer Zeichnung mit 45º angegeben sind. Die Rotorblätter sind Flügel, aber leider mit schwieriger Dynamik - bitte durchhalten.

Bei der Autorotation haben wir rotierende Klingen, eine vorwärts und eine rückwärts. Das vorwärtslaufende Blatt erfährt Gegenwind, das rückwärtslaufende Blatt hat Rückenwind. Der Rotor wird durch den Widerstandsunterschied angetrieben, und wenn das vorwärtslaufende Blatt weniger Widerstand erfährt als das rückwärtslaufende Blatt, wird der Rotor durch die Windkraft angetrieben - er ändert niemals die Drehrichtung. Das klingt kontraintuitiv, aber genau das passiert.

Als der erste Autogyro einem Flugtest unterzogen wurde (weit vor dem ersten Hubschrauber, Anfang der 1920er Jahre), begann er zu rollen, als die Vorwärtsgeschwindigkeit zunahm, da das vorwärts gerichtete Blatt eine höhere relative Windgeschwindigkeit und daher mehr Auftrieb hatte. Der erste erfolgreiche Flug des C4 im Jahr 1923 behob dies durch die Einführung des Flügelschlagens, wirklich ein ziemlich brillantes Design. Aus Wikipedia :

Der Dissymmetrie wird durch „Schaufeln der Blätter“ entgegengewirkt: Rotorblätter sind so konstruiert, dass sie schlagen – anheben und drehen, so dass das vorrückende Blatt nach oben schlägt und einen kleineren Anstellwinkel entwickelt, wodurch weniger Auftrieb erzeugt wird als bei einem starren Blatt. Umgekehrt flattert das zurückweichende Blatt nach unten, entwickelt einen höheren Anstellwinkel und erzeugt mehr Auftrieb.

Derselbe Blattschlag erzeugt ein Antriebsdrehmoment des Rotors durch den Unterschied im Luftwiderstand zwischen nach vorn und nach hinten gerichteten Blättern. Aber das tut es nur, wenn das Kollektiv vollständig am Boden ist. Der kollektive Fluggriff stellt den Anstellwinkel aller Blätter gleichzeitig ein, und das erste, was der Pilot tun muss, wenn das Triebwerk stoppt, ist, das Kollektiv zu senken. Andernfalls ist der Widerstand im vorwärtslaufenden Blatt höher als im rückwärtslaufenden Blatt, und der Rotor dreht sich nicht mehr.

Die Autorotation funktioniert also nur mit Vorwärtsgeschwindigkeit effektiv. Im letzten Stück, kurz vor der Landung, geht der Pilot fast senkrecht: Er hebt die kollektive Rotationsenergie der Blätter gegen Verlust an kinetischer Energie und kommt zu einer schönen sanften Landung.

Dein Bild ist soweit in Ordnung, aber...

Wenn der Hubschrauberrotor 2 oder 4 Blätter hat, zeichnen Sie jetzt das Bild für das Blatt, das dem ersten gegenüberliegt. Die Neigung dieser Klinge weist eine andere Richtung auf, sodass sie nicht „nach hinten geschoben“ wird, sondern „vorwärts geschoben“ wird. Die Kombination der beiden "Schübe" bringt den Rotor zum Drehen.

Eine Windkraftanlage oder jede Art von Ventilator funktioniert genau so.

Es ist genau das gleiche wie beim Gleitflug eines Flugzeugs, außer dass sich die "Flügel" im Kreis bewegen.

Als Flugschüler in einem Flächenflugzeug übst du das oft. Der Instruktor stellt die Leistung auf Leerlauf und sagt: „Sie haben gerade Ihren Motor verloren …“ Als erstes drücken Sie die Nase nach unten, sodass Sie in einem Abwärtsgleiten sind. Da du nach unten gehst, nimmst du Geschwindigkeit auf und das hält dich in der Luft. Sie trimmen auf die Geschwindigkeit, die Ihnen die längste Gleitreichweite bietet, und suchen nach einem Landeplatz.

Bei einem Hubschrauber tun Sie dies, indem Sie die Blätter nach unten neigen (mit dem gemeinsamen Hebel). Dies lässt sie gleiten, was ihnen Geschwindigkeit verleiht, was den Auftrieb aufrechterhält, sodass Sie nach einem Landeplatz suchen können.