Wie wird bei der Vorwärtsbewegung des Helikopters auf das Nickmoment nach vorne geachtet?

Es ist eine komplizierte Antwort mit vielen beitragenden Faktoren in einer mehrdimensionalen Matrix. Bei einem Hubschrauber, der mit Vorwärtsgeschwindigkeit fliegt, gibt es mehrere stabilisierende und mehrere destabilisierende Stabilitätsfaktoren.

1. Bevor der Helikopter mit hoher Geschwindigkeit fliegen kann, muss er im Schwebeflug abheben.

   • Der Rotor liefert die Auftriebskraft zum Steigen.
   • Die Schwerkraft übt eine nach unten gerichtete Kraft im Schwerpunkt aus.
   • Die Rotornabe ist angelenkt - man könnte sich vorstellen, dass der Rumpf wie ein Pendel an der Rotornabe hängt.

   Aus dieser Antwort, eigene Arbeit

   In dieser Situation würde sich das CoG bei freiem Schwenken direkt unter der Rotornabe bewegen, ohne den Rotor neu auszurichten - der Hubschrauber würde an Ort und Stelle bleiben und nur der Rumpf würde kippen, bis sich das CoG unter dem Auftriebsvektor befindet. Es gibt eine Reihe zulässiger horizontaler CoG-Positionen, die beim Aufsteigen in einem geraden Schwebeflug zu einer Reihe von Rumpfwinkeln führen würden. Wenn der Schwerpunkt zu weit nach vorne oder hinten gewählt wird, würde dieses Szenario natürlich zu einem unmöglichen Rumpfwinkel führen.

2. Aber das Rotornabengelenk überträgt Drehmoment vom Rotor zum Mast und umgekehrt. Der Rumpf kann nicht frei unter der Nabe baumeln. Aus Prouty, Helicopter Performance, Stability and Control:, beschreibt das Verhalten in einem Vakuum :

   

   Der wippende Rotor im Vakuum hat nicht die Tendenz, Rotor und Mast senkrecht zueinander auszurichten, während der sehr häufige Scharnier-Offset-Rotor dies tut. Und auch in der Atmosphäre will der Wippenrotor über das hier beschriebene Drehmoment des Schlageffekts den Mast senkrecht zu sich selbst ausrichten .

   Ein Hubschrauber, der im Schwebeflug mit horizontalem Rotor abhebt, richtet also sowohl den Rumpf als auch den Rotor aus, bis sich der CoG unter dem Auftriebsvektor befindet. Befindet sich der CoG nicht genau unterhalb der Nabenmitte, kippt die Rumpfdrehung den Auftriebsvektor und der Hubschrauber beginnt zu driften, was durch zyklische Steuerknüppeleingaben des Piloten kompensiert werden muss. Aus dem FAA Rotorcraft Flying Handbook, Kapitel 7 Gewicht und Balance:

   CG VORWÄRTSGRENZE. Sie können diesen Zustand erkennen, wenn Sie nach einem Senkrechtstart in den Schwebeflug kommen. Der Helikopter hat eine niedrige Fluglage, und Sie müssen die zyklische Steuerung übermäßig nach hinten verschieben, um einen Schwebeflug bei Windstille aufrechtzuerhalten.

   Beachten Sie, dass das Obige bedeutet, dass sich der Rotor an der Vorwärtsneigung des Rumpfes ausrichten möchte, was durch den Rückwärtszyklus kompensiert werden muss.

3. Um vorwärts zu fliegen, bewegt sich der Pilot zyklisch in Längsrichtung vorwärts, wodurch die Rotorscheibe effektiv nach vorne gekippt wird. Wie oben zu sehen, kippt dies auch den Rumpf nach vorne und bewegt den CoG in eine neue Position weiter hinten – dies erzeugt ein Moment nach oben, das das Moment nach unten des Schub-/Schleppmoments kompensiert.

   Wenn der Hubschrauber Vorwärtsgeschwindigkeit aufnimmt, drückt Luft auf den Rumpf: Es entsteht ein parasitärer Luftwiderstand. Dieser will sowohl den Rumpf als auch den Rotor weiter nach vorne kippen.

4. Bei erhöhter Fluggeschwindigkeit sorgt das Schlagen des Rotors für ein erhöhtes Nose-Up-Drehmoment: Das sich vorwärts bewegende Blatt erfährt bei höherer Geschwindigkeit einen höheren Auftrieb und erreicht eine höhere Spitzenposition, wenn es nach vorne zeigt. Wie oben unter 2. erläutert, führt dies aufgrund der Scharnierkopplung zwischen Rotorscheibe und Rumpf auch zu einem Rumpfnase-oben-Moment.

5. Der Trimmwinkel des Hubschraubers bei Geschwindigkeit kann weiter beeinflusst werden, indem ein horizontales Heck eingebaut wird, das bei Geschwindigkeit ein Drehmoment nach oben ausübt. Der Anstellwinkel des horizontalen Leitwerks ist oft variabel, um einen breiten Bereich an stabilisierenden Momenten bei Reisegeschwindigkeit, starkem Sinkflug usw. bereitzustellen.

   Das horizontale Leitwerk im Reiseflug hat normalerweise einen negativen Anstellwinkel und ist so konstruiert, dass es den Rotorabwind optimal nutzt. Horizontale Ausläufer sind nicht erforderlich, aber für eine positive zyklische Geschwindigkeitsstabilität höchst wünschenswert.

6. Ein horizontales Heck ist jedoch beim Schweben unwirksam, und ein Rotor oben hat eine negative Geschwindigkeitsstabilität, wie in dieser Antwort erläutert - der Hauptgrund für die Instabilität beim Schweben herkömmlicher Hubschrauber, die konstante Steuerknüppeleingaben erfordert, um die Position beizubehalten.

Zusammenfassend wird das Nickmoment mit der Nase nach unten bei Vorwärtsgeschwindigkeit kompensiert durch:

• Der Schlagwinkel der Rotorscheibe.
• Die Scharniermomentkopplung, entweder durch Scharnierversatz oder durch aerodynamische Kopplung im Falle eines schwankenden Rotors. Dieser Effekt will den Rotormast senkrecht zum Rotor ausgerichtet halten.
• Der horizontale Schwanz.
• Der nutzbare horizontale Bereich der CoG-Position.
• Und oben nicht erwähnt: teilweises Verkanten des Heckrotors.

Nehmen wir an, dass bei horizontalem Hubschrauberrumpf (Kufenebene) der Schwerpunkt direkt unter dem Rotormast liegt.

Für ein Drehmomentproblem können wir jeden beliebigen Drehpunkt frei wählen, zumindest wenn die Drehbeschleunigung Null und die G-Last Eins ist, sodass keine zusätzliche scheinbare Trägheitskraft aufgrund von Drehbeschleunigung oder G-Last auf den Schwerpunkt wirkt.

Wenn wir herausfinden möchten, wie die Dinge in einem stationären Schwebeflug oder einem stationären Reiseflug ausbalanciert sind, kann es die Dinge vereinfachen, die Spitze des Rotormastes anstelle des Schwerpunkts des Hubschraubers als Drehpunkt für den zu nehmen Drehmomentberechnung.

Beachten Sie, dass in diesem Fall die Neigung der Rotorscheibe und die daraus resultierende versetzte Schublinie kein Drehmoment um unseren gewählten Drehpunkt ausübt, aber der Widerstandsvektor des Rumpfes – der vermutlich nahe dem Schwerpunkt des Rumpfes wirkt – ein Drehmoment um unseren ausübt gewählten Drehpunkt. Die beiden Effekte sind miteinander verbunden – im stationären Reiseflug ist das Versetzen des Widerstandsvektors der einzige Grund, warum die Rotorscheibe geneigt werden muss.

Gehen Sie zunächst von einer absolut starren Verbindung zwischen Rumpf, Rotormast und Rotorscheibe aus. Wenn in diesem Fall die Rotorscheibe kippt, kippt der Rumpf. Die Rotorscheibe kann gegenüber dem Rumpf nicht kippen.

Nehmen Sie an, dass der Rotor selbst keine Masse hat. Zeichnen Sie das Vektordreieck von R (Rotorkraft), L (Auftriebs- oder Aufwärtskomponente der Rotorkraft) und T (Schub- oder Vorwärtskomponente der Rotorkraft) mit rechten Winkeln zwischen T und L und R als Vektorsumme von T und L. Nehmen Sie an, dass die resultierende Nettokraft R an der Spitze des Motormastes wirkt und in genau die gleiche Richtung zeigt wie die Spitze des Rotormastes.

Angenommen, die gesamte Masse und der gesamte Widerstand des Hubschraubers konzentrieren sich auf den Schwerpunkt des Rumpfes. Zeichnen Sie das Vektordreieck, das W (Gewicht), D (Luftwiderstand) und F (vom Rumpf erzeugte Nettokraft) darstellt, mit rechten Winkeln zwischen W und D und mit F als Vektorsumme von W und D. Dieses Dreieck muss geometrisch a sein ähnliches Dreieck wie das vorherige - das mit dem Rotor verbundene.

Das bedeutet, dass unter all diesen Annahmen die Nettokraft F, die durch die Kombination von Gewicht und Widerstand erzeugt wird, immer genau mit dem Rotormast übereinstimmt. Somit wird durch die kombinierten Wirkungen von Gewicht und Luftwiderstand kein Drehmoment um die Spitze des Rotormasts herum erzeugt.

Oder anders ausgedrückt: Die vom Rotorsystem erzeugte Nettokraft R ist immerhin direkt mit dem Schwerpunkt des Rumpfes fluchtend.

Dies bedeutet auch, dass angesichts all dieser Annahmen das Hubschrauberscheibensystem in Wirklichkeit bis zu einem gewissen Grad in Bezug auf den Hubschrauberrumpf frei schwenken kann oder umgekehrt (siehe Warum geht die Nase des Hubschraubers nach unten, wenn der zyklische gedrückt wird?) . vorwärts (in einem Schwebeflug)? für mehr), im stationären Reiseflug gibt es keine inhärente Tendenz für den Rumpf, in einem anderen Winkel von der Rotorscheibe zu hängen, als wenn es keine Flexibilität in der Verbindung zwischen dem Rumpf gäbe, Rotormast und Rotorscheibensystem.

Beachten Sie, dass, wenn der Rumpf im Reiseflug in einem anderen Winkel als "rechtwinklig" zum Rotorscheibensystem hängen würde, dies die Position des zyklischen Steuerknüppels beeinflussen würde, der erforderlich ist, um ein bestimmtes Netto-Nickdrehmoment (oder dessen Fehlen) zu erhalten ) von der Rotorscheibe, ebenso wie das Kippen des Rotorblattsystems nach vorne oder hinten, wenn der Hubschrauber auf dem Boden steht, den zyklischen Winkel eines Blattes relativ zu einem anderen ändert. Wenn zum Beispiel der Rumpf aus irgendeinem Grund gerade erdwärts von der Spitze des Rotormastes selbst im Hochgeschwindigkeitsflug hängen würde, würde das (geneigte) Rotorblattsystem selbst bei zentriertem zyklischem Steuerknüppel ein nach oben gerichtetes Pitch-Drehmoment erzeugen.

Ein Effekt, der dazu führen könnte, dass der Rumpf nicht "rechtwinklig" zur Rotorscheibe hängt, sondern eher etwas näher an der Geraden "unten" in Richtung der Erde, wäre, wenn der Widerstandsvektor über dem Schwerpunkt des Rumpfes wirkt . Dies ist in der Realität wahrscheinlich oft der Fall.

Bei dieser ganzen Frage geht es wirklich nur darum, ob das Rotorblattsystem im Reiseflug ein Anstellmoment mit der Nase nach oben erzeugen muss, um zu verhindern, dass der Hubschrauber nach unten neigt. Die Antwort scheint allgemein "nein" zu sein. Wenn ein solches Pitch-Drehmoment erforderlich wäre , wäre es natürlich einfach genug, den Zykliker so zu positionieren, wie es erforderlich ist, um ein solches Drehmoment zu erzeugen.

Nun, wenn Sie fragen würden, was im ersten Moment passiert, nachdem wir den zyklischen verwendet haben, um die Rotorscheibe im Schwebeflug nach vorne zu neigen, wenn der Vorwärts-Fluggeschwindigkeitsvektor und daher der Rückwärts-Widerstandsvektor, der auf den Rumpf wirkt, noch nicht festgelegt sind - wie die obere Abbildung mit der geneigten Rotorscheibe scheint dies zu veranschaulichen – das wäre eine ganz andere Frage.

Beachten Sie, dass nichts davon wirklich darauf eingeht, ob das System stabil ist oder nicht.

Hier wurden viele Annahmen getroffen, aber vielleicht gibt Ihnen diese Antwort einen Ausgangspunkt, um Ihr Problem zu betrachten.

Der Hauptrotor liefert oft ein Anstellmoment um den Schwerpunkt herum, im Gegensatz zum Diagramm im OP. Dies liegt daran, dass es sich an einer kleineren Stationslinie vor dem Schwerpunkt befindet (auch nach Berücksichtigung der Neigung).

Der Hauptrotor wird mit Geschwindigkeit nach vorne geschlagen, wobei sein Schub nach vorne geneigt ist. Der Vektor ist jedoch oft immer noch so positioniert und orientiert, dass er ein Pitch-Moment mit der Nase nach oben über den CG liefert.

Das "Nabenmoment" des Hauptrotors wird tatsächlich ein Anstellmoment mit der Nase nach unten liefern.

Der horizontale Stabilisator am Heck sorgt normalerweise bei Geschwindigkeit für ein großes Nickmoment mit der Nase nach oben.

Siehe diesen Link für solche Informationen.

Helikopter sind in vielerlei Hinsicht getarnte Flugzeuge.

Zuerst zeichnest du den Rotor mit einer leichten V-Form. Zeichnen Sie nun den Auftriebsvektor für jeden Rotor und Sie werden feststellen: Er wird tatsächlich versuchen, das Flugzeug wieder aufrecht zu stellen (nachdem die Vorwärtsbeschleunigung auf 0 (konstante Geschwindigkeit) geht)! Selbst wenn der Rotor perfekt gerade wäre, erzeugt seine Hubkraft kein Nickmoment, es sei denn, der Schwerpunkt ist versetzt. (zeichnen Sie auch gepunktete Linien für den Rest des Hubschraubers).

Der Schwerpunkt des Luftwiderstands (von vorne gesehen) spielt auch eine Rolle, sobald sich der Hubschrauber bewegt. Auch der Abwind des Rotors am Heck spielt eine Rolle.

Wenn Sie jedoch ohne erhöhte Leistung nach vorne neigen, sinkt der Heli, da der vertikale Auftrieb geringer ist . Der Aufwärtswiderstand hinter dem Schwerpunkt führt dazu, dass es genau wie ein Flugzeug nach unten neigt.

Wenn Sie sich nach vorne neigen und genügend Kraft zum Klettern hinzufügen, stellen Sie möglicherweise fest, dass sich die Nase nach oben neigt! Sie fügen also gerade genug für den Horizontalflug hinzu.

Das Konzept des "Vorwärtsneigens" und des Hinzufügens von "Kraft" aus dem Schwebeflug ist identisch mit der V min Sinkrate im Vergleich zu V "bestes Gleiten" in Flugzeugen.

Vielleicht ein bisschen so: