Warum geht die Nase des Helikopters nach unten, wenn der Steuerknüppel nach vorne gedrückt wird (in einem Schwebeflug)?

Ich denke, Sie könnten verwirrt sein, was die Scharniere tun. In dem von Ihnen gezeigten Beispiel bewirkt das Wippscharnier, das nur bei 2-Blatt-Rotoren vorhanden ist, dass beide Blätter zusammen kippen oder "wippen" oder wippen. Es ist nicht möglich, dass beide Blätter im normalen Betrieb steigen oder fallen. Das Federscharnier ist überhaupt kein Scharnier. Es ist ein Lager in der Blattmanschette, das es ermöglicht, den Anstellwinkel des Blattes, verursacht durch die Position der Taumelscheibe, zu ändern, indem das Blatt in seiner Manschette gedreht wird.

Stellen Sie sich einen Hubschrauber vor, der in einer windstillen Situation schwebt - einfach weil das Hinzufügen von Wind die Erklärung unnötig kompliziert. Ich gehe auch von einem gegen den Uhrzeigersinn drehenden Rotor aus. Einfach die Erklärung für einen Rotor im Uhrzeigersinn umkehren.

Der Gesamtschubvektor des Rotors ist vertikal, senkrecht zur Mittelachse der Scheibe. Es hat eine horizontale Komponente von null, sodass keine Kraft in Längs- oder Querrichtung auf den Hubschrauber ausgeübt wird und er in einer festen Position bleibt.

Wenn Sie den Cyclic nach vorne drücken, wird die Blattsteigung ganz links erhöht, wodurch der Anstellwinkel und damit der Auftrieb erhöht wird. Aufgrund der Präzession hebt sich die Klinge hinten an der Scheibe und fällt vorne ab, wodurch die gesamte Scheibe nach vorne gekippt wird.

Der Gesamtschubvektor bleibt senkrecht zur Scheibe und besteht nun, da die Scheibe gegenüber dem Rumpf geneigt ist, aus horizontalen und vertikalen Komponenten. Es ist die horizontale Komponente, die den Helikopter in Richtung der Neigung beschleunigt.

Es gibt also eine Kraft (Auftrieb), die die Rückseite der Scheibe anhebt und die Vorderseite absenkt. Diese Kraft wird durch die starre Rotorantriebswelle übertragen und drückt die Nase nach unten und zieht das Heck nach oben. Eine andere Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist, dass Sie eine Kraft auf die Oberseite eines Hebels, der Antriebswelle, ausüben, die sich über dem Schwerpunkt befindet und daher bewirkt, dass sich der Rumpf in der Neigung dreht. Der Helikopter beschleunigt weiter, bis der zusätzliche Luftwiderstand gleich der horizontalen Komponente ist.

Hubschrauber verwenden auch horizontale Stabilisatoren, die einen Auftrieb erzeugen, um das Heck mit zunehmender Fluggeschwindigkeit nach unten zu drücken, so dass die Neigung der Nase nach unten im Reiseflug verringert wird.

Wenn Sie daher den Steuerknüppel nach vorne drücken und in einer bestimmten Einstellung halten (beim VFR-Flug wählen Sie eine Geschwindigkeit, indem Sie die Nase nach unten für diese Geschwindigkeit einnehmen, die aus Erfahrung und Übung gelernt wurde, gefolgt von einem kleinen Trimmen, um die gewünschte Geschwindigkeit zu erreichen), wird die Nase verursacht nach unten zu neigen und das Flugzeug zu beschleunigen, bis die getrimmte Geschwindigkeit erreicht ist.

Aus dem gleichen Grund werden Sie in Ihren Sitz zurückgedrückt, wenn Sie in Ihrem Auto aufs Gaspedal treten, aber die Geschwindigkeit hat sich noch nicht wesentlich erhöht. Auch als horizontale Beschleunigung bekannt. Sobald sich die Rotorebene nach vorne neigt, übt sie einen Vorwärtsschub aus, der eine Vorwärtsbeschleunigung erzeugt. Der Rest des Fahrzeugs hängt unter dem Rotor, so dass seine Trägheitsmasse seine Bewegung verzögert und bewirkt, dass es hinterher schwingt. Der Winkel ist der Arkustangens der horizontalen Beschleunigung dividiert durch die vertikale (dh Schwerkraft, 9,8 m/s^2 oder 32 ft/s^2).

Die Frage erwähnte keine Hover-Bedingung, und das sollte sie auch. Es wird teilweise beantwortet von:

• Vorwärtsbeschleunigung, die tatsächlich die Nase nach unten senkt.
• Vorwärtsgeschwindigkeit, die dazu führt, dass die Nase aufgrund des aerodynamischen Widerstands abfällt, wenn die Fluggeschwindigkeit zunimmt. Ein vernachlässigbarer Effekt beim Schweben.

Aber es gibt eine viel direktere Ursache für die Rumpfneigung im Schwebeflug, die in den Diskussionsrunden meist übersehen wird: das Rotorgelenkmoment. Das Ablenken des Kreisels bewirkt, dass der Weg der Rotorspitze aufgrund des Flatterns abgelenkt wird. Die Rumpfneigung wird als Feedback-Signal für zyklische Eingaben verwendet, indem der Offset des Rotorscharniers verwendet wird.

Die rotierenden Schaufeln unterliegen Zentrifugalkräften, die die Rotornabe in die Ebene der Rotorumlenkung ziehen. Sobald sich die Rotorebene infolge zyklischer Steuerknüppeleingabe ändert, ändert das resultierende Rotorgelenkmoment den Rumpfwinkel entsprechend und liefert den gewünschten Feedback-Hinweis.

Ein wippender Rotor wie bei Bell 212 und R-22 erzeugt dieses mechanische Rotorgelenkmoment nicht. Im Flug ist ein Hubschrauber an seinem Rotor aufgehängt, wobei der Schwerpunkt unter dem Auftriebsmittelpunkt liegt, es sei denn, der Rotor kann ein Scharniermoment auf den Rumpf ausüben. Bei einem Schwerpunkt nach hinten und ohne Scharnierversatz könnte Folgendes passieren:

Der Helikopter ist senkrecht gestartet, Nase zuerst nach oben gekippt, und zyklisches Vorwärts wurde eingegeben. Wenn der Rotor einen Scharnierversatz hätte, würde der Rumpf nach vorne kippen, aber mit einem wippenden Scharnier wie in der Frage wirkt keine Zentrifugalkraft auf die Nabe, und die Rumpfposition hängt jetzt nur von der CoG-Position ab. Der nach oben gerichtete Nasenwinkel hat einen Teil der nützlichen Vorwärtsneigung des zyklischen Steuerknüppels verbraucht. Die Sicht ist behindert. Die Rumpfneigung liefert keine direkte Rückmeldung der zyklischen Position.

Glücklicherweise gibt es ein aerodynamisches Rotorgelenkmoment, das durch die Aerodynamik des Schlagens erzeugt wird. Das Bild stammt aus Helicopter Performance, Stability and Control von Raymond Prouty. Es zeigt, dass der Rotor zunächst wie ein Kreisel wirkt und in seiner Ebene bleibt. Aber die Klingenausfederung bezieht sich auf den Schaft, und der Anstellwinkel der rechten Klinge wird erhöht, die linke Klinge verringert. Der Rotor wird dann flattern, bis er senkrecht zur Welle steht. Bei Wippenrotoren besteht eine indirekte aerodynamische Kopplung zwischen Rumpf und Rotorwelle. Dies liefert die gleichen Hinweise wie die Scharnier-Offset-Lösung, jedoch mit einer langsameren Rate.

Keine ausgefallenen Zeichnungen dazu, aber...

Wenn der Zykliker vorwärts geschoben wird, ist es dasselbe wie den Steuerknüppel eines Flugzeugs vorwärts zu schieben. Die Nase wird fallen. Im Fall des Hubschraubers fällt es, weil die Neigung der Hauptblätter nur auf einem Teil seines Bogens geändert wird, was zu einem Auftrieb am hinteren Ende und einem Abwärtsdruck am vorderen Ende führt.

Eine Sache, die einen Hubschrauber von Flächenflugzeugen unterscheidet, ist, dass er Vorwärtsantrieb erhält, indem der Auftrieb von der Rotorscheibe leicht nach vorne gerichtet wird, anstatt wie beim reinen Schweben gerade nach oben. Um also aus dem Schwebeflug herauszukommen, legt man die Nase nach unten, um Vorwärtsantrieb und Beschleunigung zu erhalten, und fügt Leistung und Gesamtrotorneigung (kollektiv) hinzu, um dem Verlust des reinen vertikalen Auftriebs durch das Vorwärtskippen entgegenzuwirken.

Der Helikopter bewegt sich vorwärts, bis er so viel Geschwindigkeit aufnimmt, dass der Luftstrom aus Vorwärtsgeschwindigkeit über die sich drehende Rotorscheibe Auftrieb erzeugt (die sich drehende Scheibe wirkt jetzt wie ein Flügel), und der Helikopter in den sogenannten Vorwärtsflugmodus wechselt – er fliegt nun ein ähnlich wie bei einem Flächenflugzeug. Um einen Hubschrauber im Vorwärtsflug zu halten, ist viel weniger Kraft erforderlich als im Schwebeflug, da der Vorwärtsflugluftstrom über der Rotorscheibe Auftrieb erzeugt, anstatt den Zug des Rotors (vollständig vom Motor angetrieben) zu verwenden, um den gesamten Auftrieb zu erzeugen.

Der Vogel ist jedoch immer noch auf den Vorwärtsauftrieb von der Rotorscheibe angewiesen, um einen Vorwärtsantrieb zu erhalten, anstatt einen direkten Vorwärtsantrieb über einen Propeller, wie er bei Starrflügelflugzeugen verwendet wird. Im Vorwärtsflug wird also die Rotorscheibe leicht nach vorne geneigt, um den Vortrieb zu erzeugen.