Warum sind dreiflügelige Hubschrauber relativ selten?

Ich gebe zu, dass diese Beobachtung völlig subjektiv ist, aber es scheint mir, dass dort dreiblättrige Rotoren deutlich weniger beliebt sind als zwei oder vier.

Faktoren, von denen ich vermute, dass sie dazu beitragen -

  • Stauraum – Hubschrauber mit zwei Flügeln nehmen viel weniger Platz ein. Sie werden also wahrscheinlich bei zwei Klingen bleiben, bis Sie gezwungen sind, auf vier umzusteigen
  • Einfachheit - Während eine ungerade Anzahl von Blättern perfekt ausbalanciert werden kann, kann es einfacher sein, Systeme herzustellen, bei denen die Kräfte gegensätzlich ausgleichen, anstatt das gesamte System auszugleichen.
  • Kosten - zwei etwas längere Klingen sind vermutlich viel günstiger in der Wartung / Anschaffung als drei kürzere.

Dies sind jedoch Vermutungen. Meine Frage ist - ist meine Wahrnehmung richtig, und wenn ja, warum?

Antworten (4)

Hubschrauber mit drei Flügeln sind keine Seltenheit. Viele europäische Kleinhubschrauber sind dreiblättrig:

Die Hubschrauber von Eurocopter zeigen ein Muster. Sie wurden voneinander entwickelt und gehen auf die Aérospatiale Alouette II , III und Aérospatiale Gazelle zurück – alle mit drei Klingen.

Die meisten amerikanischen kleineren Hubschrauber haben wippende Rotoren, die standardmäßig zwei Blätter haben. Dies war von Bell 47 bis Bell UH-1 Iroquois der Fall . Auch hier war das Übertragungssystem des UH-1 eine Weiterentwicklung des Bell 47. Wenn Sie in den USA sind (oder allgemein zum Training), werden Sie Robinsons sehen , also scheint es, dass es fast keine dreiblättrigen Hubschrauber gibt ( Ausnahme Schweizer 300 ).

Es gibt Vor- und Nachteile bei einer unterschiedlichen Anzahl von Klingen. Generell gilt: Je weniger, desto besser . Sie zahlen für mehr Auftrieb, Leistung und (normalerweise) weniger Lärm mit mechanischer Komplexität und weniger Effizienz. Es ist ein Kompromiss.

Drei gegenüber vier Blades zeigt einen klaren geografischen Unterschied aufgrund der Verfügbarkeit von Ingenieuren und ihrer unterschiedlichen Erfahrung.

In den USA sind Enstrom Helicopters (aus meiner Heimatstadt) alle 3-Blatt-Designs.
Ich frage mich, ob es zumindest bei Militärflugzeugen eher um Redundanz geht. Ich bin mir aber nicht sicher, ob das bei Hubschraubern überhaupt eine Rolle spielen würde.
@WayneWerner Mit ziemlicher Sicherheit nicht. Der Verlust einer Klinge ist ein katastrophales Ereignis, egal ob Sie 2 Klingen oder 6 Klingen haben.
Es wäre eine interessante technische Herausforderung: Wie konstruiert man einen 4-Blatt-Rotor so, dass der Verlust eines Blattes dazu führt, dass sich das gegenüberliegende Blatt sicher löst? Ich vermute, dass es möglich ist, eine einzige Befestigung für das Paar gegenüberliegender Klingen zu haben und diesen Schnappschuss zu haben, wenn eine zu große Scherkraft vorhanden ist.
@MSalters Sicher ist dort das Schlüsselwort. Wie verhindern Sie, dass andere Klingen herumkommen und die auswerfende Klinge schlagen? Wie schafft man es, dass die ausstoßende Klinge nicht wie eine große Rakete meilenweit fliegt? Wie gehen Sie mit dem plötzlichen (und dramatischen) Verlust des Auftriebs um? Was passiert bei einem teilweisen Klingenverlust (häufiger)?
@Ron: Meistens, indem man sich nicht mit diesen Problemen befasst. Ein Blatt, das auf die Erde stürzt, schlägt einen ganzen Hubschrauber, der herunterkommt; ein plötzlicher Verlust von 50 % der Auftriebskraft schlägt einen plötzlichen Verlust von 100 % der Auftriebskraft. (Um nicht zu behaupten, dass der Nettoverlust 50 % betragen würde). Das Hauptrisiko besteht darin, ob ein teilweiser Klingenverlust besser ist als ein Verlust von zwei Klingen, und das hängt wahrscheinlich davon ab, ob Sie normalerweise 10 % oder 90 % einer Klinge verlieren.
Auch die Boeing CH-47 Chinook ist sozusagen dreiflügelig.
@zelanix Du hast Recht - ich habe mich zu sehr auf kleinere Helis konzentriert und das verpasst.
@MSalters: Der Verlust eines signifikanten Teils einer Klinge wird katastrophal sein, es sei denn, man kann die ausgefallene Klinge und ihr Gegenstück schnell abwerfen, ohne die anderen Klingen zu beschädigen. Andererseits gibt es nicht viele Situationen, in denen ein Hubschrauber ein Blatt verlieren würde, das wahrscheinlich nicht alle in kurzer Zeit zerstören würde, selbst wenn ein Paar Blätter abgeworfen werden könnte. Die einzige Situation, die mir einfällt, in der die Fähigkeit, Blätter abzuwerfen, nützlich sein könnte, wäre, wenn ein Himmelskran, der viel mehr als sein eigenes Gewicht heben muss, möglicherweise leisten müsste ...
... eine Notlandung ohne viel Freiraum, durfte aber Blätter auf alles fallen lassen, was sich gerade darunter befand. Wenn ein solches Fahrzeug zwei lange Blätter hätte, die zum Heben von Fracht geeignet sind, und zwei kurze, die geeignet sind, das Fahrzeug selbst in der Luft zu halten, könnte das Abwerfen der langen Blätter den für die Landung erforderlichen Abstand verringern. Das scheint jedoch eine sehr seltene Situation zu sein.
@supercat: "Auf der anderen Seite gibt es nicht viele Situationen, in denen ein Hubschrauber ein Blatt verlieren würde, das wahrscheinlich nicht alle in kurzer Zeit zerstören würde, selbst wenn ein Paar Blätter abgeworfen werden könnte" - Ermüdungsbruch eines Rotorblatts, der (IIRC) für die Mehrzahl der Hubschrauberblattausfälle (und übrigens auch Nicht-Hubschrauberblattausfälle) verantwortlich ist, die nicht aus direkter Beschädigung durch Fremdkörper resultieren, wäre eine solche Situation.
@ Sean: Wenn eine Klinge aufgrund von Metallermüdung ausfallen würde, wie lange würde es dauern, bis die daraus resultierende Unwucht die Lager zerstört? Gäbe es ein plausibles Szenario, in dem die ausgefallene Schaufel und ihr Gegenstück sicher abgeworfen werden könnten, ohne dass ausgefallene Teile andere Schaufeln beschädigen?

Wie bei Propellern ist die Blattanzahl bei einem Hubschrauberrotor eine Frage der Scheibenbelastung . Leichte Helikopter kommen mit weniger Rotorblättern davon. Komplexität und Verluste nehmen mit der Anzahl der Rotorblätter zu, daher versuchen Hubschrauberkonstrukteure, so wenige Rotorblätter wie möglich anzubringen. Allerdings würde dies zu riesigen Rotordurchmessern für schwere Helikopter führen. Es gibt Gründe, den Durchmesser klein zu halten:

  • Blattwurzelbelastungen durch Zentrifugalkräfte
  • Spitzengeschwindigkeit: Je größer der Rotor ist, desto früher erfährt das vorrückende Blatt transsonische Effekte, wenn der Hubschrauber im Reiseflug fliegt. Dadurch wird die Höchstfluggeschwindigkeit begrenzt.
  • Blattbiegung am Boden. Das Blatt muss steif genug sein, um das Heck freizugeben, wenn sich der Rotor dreht.

Vergleichen wir nun ein paar Helikopter. Ich habe die technischen Daten auf der verlinkten Wikipedia-Seite herangezogen und die maximale Abflugmasse durch die Fläche der Rotorscheibe geteilt:

  1. Sud Aviation Aloutette II : 2-Blatt-Rotor. Scheibenbelastung 19,6 kg/m². Scheibenbelastung pro Blatt: 9,8 kg/m².
  2. Glocke 205 / UH-1D . 2-Blatt-Rotor. Scheibenbelastung 25,6 kg/m². Scheibenbelastung pro Blatt: 12,8 kg/m².
  3. Aérospatiale AS-350 Écureuil : 3-Blatt-Rotor. Scheibenbelastung 25,07 kg/m². Scheibenbelastung pro Blatt: 8,36 kg/m².
  4. Bell 412 : 4-Blatt-Rotor. Scheibenbelastung 34,6 kg/m². Scheibenbelastung pro Blatt: 8,65 kg/m².
  5. Sikorsky S-65 / CH-53 : 6-Blatt-Rotor. Scheibenbelastung 50,2 kg/m². Scheibenbelastung pro Blatt: 8,37 kg/m².
  6. Mil Mi-26 : 8-Blatt-Rotor. Scheibenbelastung 69,6 kg/m². Scheibenbelastung pro Blatt: 8,7 kg/m².

Ich denke, Sie sehen den Trend inzwischen. Das UH-1D ist ein Außenseiter, aber es sticht auch durch seine ungewöhnlich hohe Klingensehne hervor. Normalerweise scheint die ideale Belastung pro Lamelle zwischen 8 und 9 kg/m² zu liegen, und etwas mehr wird als akzeptabel erachtet, wenn es dem Konstrukteur erlaubt, mit nur 2 Lamellen auszukommen.

Es gibt keine Verschwörung zur Unterdrückung von Dreiblattrotoren. Es ist der Gesamtkompromiss zwischen Leistung und Effizienz, der die Anzahl der Blätter auf einem Hubschrauberrotor bestimmt, und der Haupttreiber ist die Masse.

Hubschrauberrotoren haben Blattscharniere, Propeller nicht. Das Blattwurzel-Biegemoment von Propellern ist eine strukturelle Designgrenze, die Rotorblätter nicht haben. Die Blattbelastung ist kein Hauptkonstruktionsparameter bei Hubschrauberrotoren.
@Koyovis Dann erklären Sie bitte, warum ein Mil-26 nicht einfach einen Zweiblattrotor verwenden kann.
Denn das Whoop Whoop des Klingendurchlaufgeräusches der Bell 212 ist schon schlimm genug.
@Koyovis: Mit anderen Worten: Blade Loading. Einverstanden.
Sicherlich ein interessanter statistischer Trend. +1.

Während die obigen Antworten einige richtige Punkte haben, verfehlen sie die grundlegenden Punkte der Struktur und Funktion der Rotornabenunterschiede bei den zwei- und vierblättrigen Rotoren gegenüber den dreiblättrigen Rotoren. Beide haben nuancierte Sicherheitsprobleme, und der Unterschied kann die Mission für einen bestimmten Hubschrauber ändern.

Zwei- und Vierblattrotoren sind höchstwahrscheinlich halbstarre Rotornaben, die von einem festen Stift freitragend sind. Dadurch können sie sich durch die Rotation, die durch Führungs- und Verzögerungskräfte entsteht, frei nach oben und unten bewegen. Die Einschränkung für diese Rotornaben besteht darin, dass sie negative G-Kräfte fast nicht tolerieren, da negative Gs in der Luft zu Maststößen und Flugzeugzellenschäden führen. Pushovers müssen sehr subtil sein. Dies erfordert eine spezielle Schulung speziell für SFAR 73 .

Dreiblättrige Rotoren haben einen voll beweglichen Rotorkopf, der ein Anstoßen des Mastes verhindert, so dass er wendiger ist und externe Fracht handhaben kann. Diese Rotoren bewältigen Lead-Lag-Kräfte durch Scharniere an der Wurzel des Rotorblatts, wodurch sich das Blatt während der gesamten Umdrehung relativ zur Drehrichtung vorwärts und rückwärts bewegen kann. Das primäre Sicherheitsproblem bei diesen Hubschraubern besteht darin, zu hart aufzusetzen oder das Gleichgewicht zu verlieren, wodurch die Blätter aus dem Gleichgewicht geraten. Wenn dies der Fall ist, reagieren Kreiselkräfte durch die Flugzeugzelle, und wenn der Hubschrauber immer noch den Boden berührt, wird der den Boden berührende Teil zum Drehpunkt, um den die Kreiselkräfte der Flugzeugzelle wirken und den Hubschrauber über diesen Drehpunkt kippen. Dies ist eher bei den Dreiblatt-Hubschraubern mit Kufen statt Fahrwerk der Fall. Die Kufen haben Stöße im Wesentlichen, um das Erschüttern zu verhindern, aber wenn sie unten oder flach sind, gehen die Kräfte ungleichmäßig durch sie hindurch. Helikopter mit Radfahrwerk haben damit weniger Probleme. Hier ist eine gute Ressource übervoll bewegliche Rotorköpfe .

Oberhalb von 4 Blättern ist, wenn Hubschrauber versuchen, Lärm zu reduzieren, Leistung (sowohl Hubfähigkeit als auch Agilität) und Stabilität auszugleichen; und das Halten der Frequenzen aus dem Pilot-PIO und den Frequenzen menschlicher Faktoren werden zu größeren Problemen.

Der Schweizer 300 hat einen voll beweglichen Hauptrotorkopf. Im Training kommt es ehrlich gesagt darauf an, dass der Schweizer schwerere Schüler verträgt als der Robinson R22 (halbstarrer Hauptrotorkopf) und dennoch annähernd den gleichen Preis hat. Es ist ungefähr 10 Jahre her, dass ich daran gearbeitet habe, und ich würde vermuten, dass Teile noch schwerer zu bekommen sind.

Neben den in den anderen Antworten genannten Gründen gibt es noch ein bisschen mehr zum Thema. Bei der Anzahl der in ein Rotordesign integrierten Blätter geht es häufig um die Blatt-/Scheibenbelastung, die Lastaufnahme und die Geschwindigkeitsleistung. Oft wird die Anzahl der Blätter durch Vibrationen / Fahrqualität und Geräusche bestimmt.

Bei 3-Blatt-Systemen haben Rotorvibration und Geräusch Vielfache von 3/U, 6/U, 9/U. Systeme mit 2 UND 4 Lamellen haben Vielfache von 2/Umdrehung, 4,Umdrehung, 8/Umdrehung, 12/Umdrehung. Ungeradzahlige Systeme weisen selten Teiler auf, die groß genug sind, um besorgniserregend zu sein, während geradzahlige Systeme das Spektrum abdecken können. Denken Sie an 5 vs. 6 Klingen. Die 5-Blatt-MD500 sind bei richtiger Abstimmung fast auf Augenhöhe mit Starrflügel-Fahreigenschaften.

Nehmen Sie andererseits die Bell 214/214ST. Ein großes 2-Blatt-Beispiel. Selbst mit einer Nodalbalkenaufhängung zur Minderung von 2/Umdrehung fahren diese Bestien sehr hart und können nur auf Schwebeflug und eine nominale Reisefluggeschwindigkeit abgestimmt werden.

Zum Thema Lärm. In den späten 80er Jahren wurde die Feuerwehr von Los Angeles County gegen besseres Wissen der Piloten beauftragt, von der 2-Blatt-Bell 205A-1 nur wegen des Lärms zu wechseln. Anschließend kauften sie vierblättrige Bell 412, deren Leistungsdaten auf dem Papier als gleich, wenn nicht geringfügig besser angegeben wurden. Die Piloten bevorzugten immer die Leistungsmerkmale der 2-Blatt-Systeme. Ich war bei vielen Max-Brutto-Starts mit LACO Fire vom Barton Heliport in 2- und 4-Blatt-Schiffen. Das Briefing vor dem Start im 4-Blatt 412 war nicht ohne Hinweis auf die Möglichkeit, die Last während des Translationshubs beizen zu müssen.

Um auf das Problem des Lärms einzugehen ... Um die Aeroakustik und die Rotorgeschwindigkeit für Drehflügler zu optimieren, werden die Hauptrotorblätter verkürzt und die Anzahl erhöht, um den größten Beitrag zum Lärm zu reduzieren, nämlich die Blattspitzen, die Überschall erreichen. Auch deshalb werden heute weniger Dreiblatt-Hauptrotoren produziert.
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