Gehen die Rotorspitzen von Hubschraubern regelmäßig in den Überschallbereich?

Das "Wop-Wop", normalerweise als Klingenschlag bekannt, ist zu hören, wenn die Spitze der Klinge den von der vorherigen erzeugten Wirbel passiert.

Es kann vermieden werden. Das häufigste Flugregime in diesem Fall ist ein flacher Sinkflug, aber immer noch mit ziemlich viel Kraft - z. B. schnell und flach. Der Wirbel beginnt sich nach unten zu bewegen, sobald er die Blattspitze verlässt, sodass im Horizontalflug das folgende Blatt darüber hinwegfliegt. Bei einem flachen Sinkflug mit hohem Anstellwinkel kann das nachfolgende Blatt buchstäblich in den vorherigen Wirbel „klatschen“. Die Wirbel der beiden Schaufeln interagieren nun und können eine lokale, transiente Überschallströmung verursachen. Um dies zu vermeiden, verringern Sie einfach die Tonhöhe, um einen positiveren Abstieg zu erzielen, oder ziehen Sie das Rad zurück, um die Belastung der Scheibe zu erhöhen und die Fluglage abzuflachen.

Die Blattspitzen gehen nicht überschallen. Tatsächlich dreht sich der Rotor bei fast allen Hubschrauberkonstruktionen innerhalb eines sehr engen Geschwindigkeitsbereichs, typischerweise zwischen 90 % und 110 % der normalen Geschwindigkeit. In den meisten Flugregimen dreht sich der Rotor zu 100 %, +/- ein paar Prozent, egal ob Sie steigen, sinken oder kreuzen. Lediglich bei Autorotation und aggressivem Manövrieren variiert die Reichweite um 10 % oder mehr. Es hängt vom Hubschraubertyp ab, aber absolute Grenzen wären etwa 85% (Panikzeit, Gefahr des vollständigen Überziehens) und 115% (kleinere Panik, Gefahr der Beschädigung der Maschine, insbesondere der Heckrotorantriebswelle).

Im normalen Betrieb, und das Design zielt darauf ab, dies zu erreichen, gehen die Rotorspitzen nicht in Überschall , da es dann zu einem plötzlichen und starken Leistungsabfall mit mehr erforderlicher Leistung, höheren Blattlasten, Vibrationen und Geräuschen kommt.

Denken Sie an einen Hubschrauber, der vorwärts fliegt. Das vorrückende Blatt erfährt an seiner senkrechtsten Position einen relativen Luftstrom, der gleich der Vorwärtsgeschwindigkeit plus der Geschwindigkeit des Blattes ist (wenn man alle Arten von geringfügigen Nebenwirkungen ignoriert). Das sich zurückziehende Blatt erfährt einen relativen Luftstrom gleich der Geschwindigkeit des Blattes minus der Geschwindigkeit des Helikopters.

Wenn sich die Blätter so schnell drehen, dass die Spitzen Überschall sind, dann würde der Hauptauftrieb erzeugende Teil des sich zurückziehenden Blattes, die äußeren zwei Drittel der Spannweite, eine so niedrige Fluggeschwindigkeit erfahren, dass sie für einen Teil der Spannweite sogar negativ ist Die Blätter werden stehen bleiben und eine katastrophale Rolle in diese Seite verursachen. Es ist dieses Phänomen, das letztendlich die Rotationsgeschwindigkeit der Rotorblätter und die Höchstgeschwindigkeit des Hubschraubers begrenzt.

Betrachten wir als Beispiel den R22. Die folgenden Zahlen sind ungefähre Angaben.

Die Rotorspitzengeschwindigkeit beträgt etwa 670 fps (Fuß pro Sekunde). Die Schallgeschwindigkeit in Bodennähe beträgt an einem Standardtag etwa 1100 fps. Der R22 fliegt in der Nähe von VNE, sagen wir 100 Knoten, was ungefähr 170 fps entspricht.

Die Spitze auf der vorlaufenden Seite fliegt daher am schnellsten relativ zum Luftstrom mit 840 fps und auf der zurückweichenden Seite am langsamsten mit 500 fps.

Die Blattlänge beträgt etwa 11 Fuß, sodass der mittlere Teil des Blatts auf der Rückzugsseite nur mit 190 fps fliegt (die Hälfte von 670 minus der Fluggeschwindigkeit). Wenn Sie etwa 4 Fuß von der Blattwurzel entfernt sind, sind es jetzt nur noch 50 fps und nicht viel weiter davon entfernt, wird Null und dann negativ.

Denken Sie daran, dass der Auftrieb proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Sie können jetzt die große Diskrepanz zwischen dem Auftrieb auf beiden Seiten sehen, wenn die Fluggeschwindigkeit zunimmt.

Um Ihre Frage direkt zu beantworten, müsste der R22 mit 530 fps fliegen, um sich der Überschallspitzengeschwindigkeit zu nähern, was etwa 330 kn entspricht, was er nicht annähernd erreichen kann.

PS. Der R22 POH spricht in imperialen Maßen. Wenn ich etwas Zeit habe, werde ich die Zahlen in metrischen Zahlen wiederholen, die ich und die meisten Menschen auf der Welt bevorzugen.

Der charakteristische Schlag eines Helikopterrotors entsteht durch die Wechselwirkung zwischen den Rotorblattwirbeln, insbesondere zwischen Hauptrotor- und Heckrotorwirbel. Wenn die Stoßwellen dieser Impulse zusammenfallen, erzeugen sie kraftvolle (laute) Harmonien. Dieser Effekt kann bei Rotordrehzahlen deutlich unter Überschall auftreten.

Die Wirbelinteraktion kann reduziert werden, indem (ein kleinerer, mehrblättriger) Heckrotor - eher wie ein Lüfter - mit einer Ummantelung umgeben wird. Eine solche Installation wird als Fenestron ("Fenster" und eigentlich eine Marke von Eurocopter), als Impeller oder Fan-in-Fin bezeichnet. Diese Entwicklung war ursprünglich auf verbesserte Sicherheit und Leistung ausgelegt.

Modifikationen am Hauptrotor, um den Impuls des Wirbels zu reduzieren, opfern normalerweise Leistung oder Wirtschaftlichkeit.

Apropos Überschallgeschwindigkeit: Helikopter haben im konventionellen Flugmodus eine theoretische Höchstgeschwindigkeit von 417 km/h aufgrund des Problems, dass das vorrückende Blatt auf einer zu großen Fläche Überschallgeschwindigkeit erreicht und das zurückziehende Blatt abrupt an Auftrieb verliert.

Jemand fragte, wie nur ein Teil der Klinge Überschall sein könne, während der Großteil ihrer Länge Unterschall wäre. Dies liegt daran, dass die Bewegung eckig ist. Ein Punkt im äußeren Bereich bewegt sich viel schneller durch die Luft als ein Punkt im inneren Bereich, um den gleichen Winkel in der gleichen Zeit zurückzulegen. Dieser Überschallzustand wird im Flug früher erreicht als im Schwebeflug. Wenn sich das Blatt "vorwärts" bewegt, wird die Fluggeschwindigkeit zur Rotationsgeschwindigkeit des sich vorwärts bewegenden Blattes addiert und von der sich rückwärts bewegenden Blattes subtrahiert. Eine übliche Lösung, um den Unterschied im Auftrieb gegenüberliegender Blätter auszugleichen, besteht darin, sie an der Wurzel anzulenken, damit das Blatt mit einer höheren Fluggeschwindigkeit in begrenztem Maße nach oben schlagen kann. Einige "starre" Konstruktionen ersetzen das Scharnier durch einen flexiblen Abschnitt.