Warum ist bei einigen Hubschraubern der Heckrotor höher montiert als der Heckausleger?

Ich habe intensiv über diese Frage nachgedacht, wie ich sie beantworten soll und ob ich sie überhaupt beantworten soll oder nicht, da die Frage an sich gut ist, aber an "zu breit" grenzt.

Die Antwort von aeroalias ist gut, bietet aber kein "Warum". Auch das Heckrotordesign ist ein teuflisch komplexes Thema und, wie die meisten Dinge in der Luftfahrt, das Ergebnis vieler Kompromisse und gegenseitiger Abhängigkeiten.

Als Beispiel dafür, wie komplex es ist, gibt es zwei Helikopter-Dynamik-„Bibeln“ von Ray Prouty und Walter Wagtendonk. Keiner von ihnen erklärt Heckrotoren vollständig und tatsächlich sagt Prouty oft "aus Gründen, die ich nicht verstehe". Wenn Prouty etwas nicht versteht, können Sie mit Sicherheit sagen, dass die Mehrheit der Hubschrauberpiloten es auch nicht versteht. Sie brauchen einen Doktortitel in Physik, um Hubschrauber zu entwerfen, Sie brauchen keinen Doktortitel, um einen zu fliegen.

Das ist also das Verständnis eines Piloten ohne Doktortitel. Ich werde jede Erwähnung weglassen, in welche Richtung sich der Hauptrotor dreht und auf welcher Seite der Heckrotor montiert ist, da dies den ohnehin schon komplexen Aufbau unnötig verkomplizieren würde. Ich gehe auch von einem generischen "Standard" -Hubschrauber mit einem einzigen Hauptrotor und sowohl vertikalen als auch horizontalen Stabilisatoren aus. Natürlich gibt es Designs, die davon abweichen, aber um alle Szenarien abzudecken, bräuchte man ein Buch, keine Antwort auf SE.

Ich ignoriere bewusst ein paar andere Abhängigkeiten wie "ist das ausfahrende Blatt des Heckrotors vorne oder hinten?"; "Ist es ein Traktor- oder Schubheckrotor?"; die Wechselwirkungen zwischen Hauptrotor-Downwash und Wirbeln und Wind und was in Situationen mit hoher Gierrate (schnelle Pedalumdrehungen) und Seitwärtsflug passiert. Ja, das Heckrotordesign ist wahrscheinlich das komplexeste Thema in der Hubschrauberdynamik.

Wie Sie wissen, wirkt der Heckrotor dem durch die Drehung des Hauptrotors auf den Rumpf ausgeübten Drehmoment entgegen. Da der Heckrotor Auftrieb in der horizontalen Achse erzeugt, erzeugt er auch eine Kraft, die den Hubschrauber über den Boden bewegt (Heckrotordrift).

Um dies auszugleichen, ist die Rotorscheibe so montiert, dass sie sich in Richtung dieser Bewegung neigt, um eine horizontale Auftriebskomponente einzuführen, die der Heckrotordrift entgegenwirkt und den Hubschrauber im Schwebeflug ruhig hält. Wenn dies nicht mit der zyklischen Neutralstellung in Ordnung gebracht wird, hält der Pilot unbewusst ein wenig seitliches zyklisches, um einen stabilen Schwebeflug zu halten. Es ist unbewusst, weil Sie Haltung und Position nicht halten, indem Sie das Zyklische positionieren. Sie positionieren den Zykliker, um Haltung und Position zu halten.

Wir haben jetzt also zwei horizontale Schubkomponenten, eine vom Hauptrotor und eine vom Heckrotor. Jetzt wirken alle Kräfte um den Schwerpunkt herum, und von dort aus werden alle Beschleunigungen auf das Flugzeug gemessen, um es zu bewegen. Wenn daher die Zentren dieser beiden Kräfte nicht in einer Linie mit dem Schwerpunkt liegen, dh denselben vertikalen Abstand vom Schwerpunkt haben, dann wird zwischen ihnen ein rollendes "Paar" erzeugt und der Rumpf rollt, bis die entgegengesetzten Kräfte gleich und entgegengesetzt sind . Aus diesem Grund schweben viele Helikopter mit einem Kufentief.

Wenn sich das Flugzeug in den Reiseflug bewegt, gleicht der vertikale Stabilisator das Hauptrotordrehmoment zunehmend aus, sodass die vom Heckrotor benötigte Leistung und der zum Ausgleich des Drehmoments erforderliche Anstellwinkel abnehmen, wodurch die Rollpaarkraft abnimmt und das Rumpfdeck rollt zurück in Richtung Ebene. Der horizontale Stabilisator erzeugt auch einen Auftrieb, der dem Rollen weiter entgegenwirkt, sodass Sie im Reiseflug wenig oder gar kein Pedal verwenden.

Das ist unser wichtigster Kompromiss. Wenn die horizontalen Komponenten der Auftriebsvektoren nicht aufeinander ausgerichtet sind, dann nehmen Sie beim Schweben ein unebenes Deck in Kauf. Wenn das Design lange Schwebezeiten erfordert (Polizeiarbeit, Suche und Rettung usw.), dann ist Ihr Design wahrscheinlich so, dass beide Zentren ausgerichtet sind und sich über dem CoG befinden (der Hauptrotorschubvektor muss wegen Motor und Hauptrotorgetriebe). Ich vermute , dass beim Apache der Heckrotor hoch montiert ist, um die Mitten so auszurichten, dass ein ebenes und stabiles Deck entsteht, was auf einer Kanonenplattform, die für lange Schwebezeiten ausgelegt ist, sinnvoll ist.

Wenn Sie sich ein Modell ansehen, bei dem die Vektoren von Heckrotor und Hauptrotor nicht mittig sind, zum Beispiel die R22, dann schweben sie tatsächlich mit einer deutlich niedrigeren Kufe als die andere. Dies hat auch den Effekt, dass die sichere Schwebehöhe um ein paar Fuß erhöht wird, da das Auffangen des Kufens auf dem Boden, während es sich dreht oder seitwärts bewegt, mit ziemlicher Sicherheit ein Generator für Bad Days ^(TM) ist .

Der Kompromiss besteht darin, dass die Positionierung dieses Rotors an der Oberseite der Flosse ein zusätzliches Getriebe und eine Antriebswelle an der Basis der Flosse erfordert, was Gewicht, Komplexität und Wartungsanforderungen hinzufügt. Kein Problem für den Apachen; sicherlich ist für den R22.

Warum montiert der Comanche den Heckrotor so tief am Ende des Auslegers? Nun, ich bin nicht in die Designentscheidungen eingeweiht und kann keine maßgeblichen Hinweise darauf finden, also verwende ich Vermutungen, von denen ich hoffe, dass sie fundierte Vermutungen sind.

Ein Designziel des Comanche, das in fast keinem anderen Hubschrauber vorhanden ist, ist Stealth.

Rotorblätter sind großartige Radarziele, insbesondere der Heckrotor. Seine relativ kurzen Blätter, die sich mit hoher Geschwindigkeit drehen und weit draußen im Freien stecken, liefern viele starke RADAR-Rückgaben. Es gibt nicht viel, was Sie am Hauptrotor tun können, außer in den Blattprofilen und Materialien (deren Details ich erwarte, sind klassifiziert), aber indem Sie den Heckrotor näher am Hauptkörper am Ende des Auslegers und in einem Fenestron montieren , diese RADAR-Rückgaben werden deutlich reduziert.

Die Heckrotor-Luftströme tragen auch dazu bei, die Motorabgase zu stören und abzukühlen, indem sie seitlich geblasen und schneller mit der kühleren Umgebungsatmosphäre vermischt werden. Wenn Sie genau hinsehen, sehen Sie, dass der Heckrotor direkt hinter den Auspuffen montiert ist. Ich vermute weiterhin, dass die Heckrotorgetriebe gute Wärmequellen sind, so dass das Entfernen eines (durch niedrige Montage des Heckrotors) auch zur Verstohlenheit beiträgt. Der zusätzliche Vorteil der Montage in einem Fenestron besteht darin, den Heckrotor vor Baumschlägen usw. zu schützen, was beim Fliegen auf der Erde immer ein Problem darstellt.

Da der Heckrotor so tief montiert ist, gibt es ein starkes Rollpaar und tatsächlich flog die Comanche sehr rutschig niedrig.

^{( Quelle )}

Um diese Tendenz zu verringern, wird der Heckrotor um etwa 20 Grad geneigt (alles aus dem Gedächtnis), was die horizontale Schubvektorkomponente verringert und etwa 1000 lbs Auftrieb durch die vertikale Komponente erzeugt, was die niedrige Tendenz des Hecks ausgleicht, die durch das TR unten erzeugt wird das CoG. Dieser hohe doppelte horizontale Stabilisator wird auch Auftrieb erzeugen, um das Heck im Reiseflug oben zu halten, wenn die TR-Leistung abnimmt.

Von Peter Kämpf:

Durch die 20°-Kantung der gesamten Vertikalen entfällt auch ein starker RADAR-Reflektor. Im Tiefflug würde ein perfekt vertikaler Schweif horizontal ausgerichtete Strahlung zurückwerfen, während der 20°-Winkel eine Seite Radarenergie in den Boden und die andere in den Weltraum reflektieren lässt.

Es gibt noch viel mehr zu all dem, aber wie ich schon sagte, es braucht wirklich ein Buch, um zu beginnen, alle Faktoren vollständig anzusprechen, aber hoffentlich geht diese Antwort durch die Hauptgedankenlinien.

Bei der Bestimmung der Position der Heckrotornabe relativ zur Hauptrotorebene sind mehrere Überlegungen zu berücksichtigen. Eine wichtige Überlegung ist, wie es den Schub des Heckrotors beeinflusst – je geringer der erforderliche Schub (bei höherer oder niedrigerer Position), desto geringer der Gewichtsnachteil, da die Anforderungen an Festigkeit und Größe abnehmen.

Geht man von dieser Überlegung aus, sollte im Allgemeinen die Heckrotornabe auf der Rotationsebene des Hauptrotors liegen. aus dem Designleitfaden für Heckrotoren :

Um die für ein bestimmtes Giermanöver erforderliche kollektive Steigung und Festigkeit zu minimieren, um die Seitenruderpedalausschläge während einer Schwebekurve zu minimieren und um den Leistungsbedarf zu minimieren, sollte die Heckrotornabe in der Rotationsebene des Hauptrotors angeordnet und angeordnet sein achtern und so nah am Hauptrotor, wie es die praktischen Einschränkungen zulassen.

Aber das ist nur ein Teil der Geschichte – hier gibt es andere Überlegungen:

• Das Zusammenspiel zwischen Heck- und Hauptrotor muss berücksichtigt werden, wodurch sich die Position des Heckrotors ändern kann.

• Wenn Sie unkonventionelle Heckrotoren wie den Fenestron haben, muss der Heckrotor normalerweise auf dem Heckausleger sitzen und nicht auf der Seitenflosse.

• Sie auf der gleichen Ebene zu haben, bedeutet normalerweise, den Heckrotor hoch auf der vertikalen Flosse zu montieren, was den Gewichtsnachteil erhöht - Sie müssen eine verstärkte vertikale Flosse zusammen mit einem zusätzlichen Getriebe und Antriebsmechanismus haben; Es wird zu einem Kompromiss - ab wann lohnt sich das zusätzliche Gewicht, wenn der Heckrotor auf der vertikalen Flosse steht? Bei kleinen Hubschraubern würde dies bedeuten, dass es besser ist, den Heckrotor im Heckausleger zu haben als im Seitenleitwerk, obwohl es keine feste Regel gibt.

• Die Lage des Heckrotors kann Einfluss auf die Fluglage haben – steht die Heckrotornabe nicht im Schwerpunkt, kommt es zu einer leichten Rollneigung, die durch Anlegen von Lateral Cyclic korrigiert werden muss, wodurch der Heli etwas schräg fliegt .

• Es gibt noch andere Überlegungen: Wenn Sie den Heckrotor niedrig halten, kann dies die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung durch Schmutz erhöhen, während es zu Wartungseinbußen kommt, wenn Sie ihn in der Seitenflosse halten.

Letztendlich ist dies also ein Kompromiss.

Raymond Prouty war der Designer für den Apache AH-64-Heckrotor (Ihr erstes Bild). In der Vorentwurfsphase hatte der AH-64 sowohl ein T-Leitwerk wie auf Ihrem Foto des Comanche als auch später die endgültige Konfiguration auf Ihrem Foto. In diesem Dokument (hinter einer Bezahlwand, sorry) erwähnt er, dass der linke Seitwärtsflug glatter und die Holländerrolle stabiler war, wenn der Heckrotor während der Flugtestentwicklungsphase angehoben wurde - rein aerodynamische Überlegungen.

Auf dem zweiten Bild zeigt der Comanche ein T-Leitwerk und einen Heckrotor in einem Fenestron: Heckrotor und Höhenleitwerk haben die Position getauscht. Die Anordnung des Heckrotors in einem Fenestron hat mehrere Vorteile: Die vertikale Flosse blockiert nicht den Schub und ist im Vorwärtsflug von der Außenströmung und dem Rotornachlauf abgeschirmt. Ein Fan-in-Finne ist nur auf Heckauslegerhöhe möglich, bei dieser Bauart folgt die Höhe also automatisch.

Das Anheben des Heckrotors verkompliziert die mechanische Anlenkung und ist daher mit höheren Leistungsverlusten verbunden, was aber in den beiden mir vorliegenden Nachschlagewerken nicht als dominantes Vorkonstruktionsmerkmal aufgeführt ist. Aerodynamische Überlegungen scheinen hier stärker ins Gewicht zu fallen: Eingriffe in den Hauptrotor im Schwebe-, Seitwärts- und Vorwärtsflug. Bei Militärhubschraubern haben auch betriebliche Anforderungen für den Heckschlag Einfluss auf die Platzierung des Heckrotors.

Die Platzierung des Heckrotors wirkt sich auch auf die seitliche Trimmung im Schwebeflug aus, je nachdem, welche Art von Hauptrotor verwendet wird. Aus Helicopter Performance, Stability and Control von Raymond Prouty:

Wie man sieht, schwebt nur der Wipprotor mit dem Heckrotor auf Hauptrohrhöhe horizontal. Aber das Schweben mit einem Kufen scheint kein großes Problem zu sein.