Rotoren: die Architekturen für Kampfhubschrauber

(Di Lorenzo Pasturenzi)
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Seit dem Zweiten Weltkrieg und insbesondere seit dem Vietnamkrieg hat sich der Hubschrauber als grundlegendes Militärfahrzeug in den Kriegsereignissen des späten XNUMX. und XNUMX. Jahrhunderts erwiesen. Sein Erfolg hängt hauptsächlich mit der Vielseitigkeit zusammen, mit der sie verschiedene Missionen durchführen kann: vom Truppentransport bis zur U-Boot-Abwehr, von der schnellen Evakuierung der Verwundeten bis hin zu Angriffs- und Unterstützungsmissionen für die Infanterie, ohne dass eine Start- und Landebahn erforderlich ist. . Folglich erforderte die Spezifität jeder Mission die Diversifizierung der Konfigurationen dieser Fahrzeuge unter strukturellen, treibenden und avionischen Gesichtspunkten, wie dies auch in der Welt der Starrflügelluftfahrt der Fall war.

Selbst innerhalb desselben „Einsatzgebiets“ haben sich unterschiedliche Beschäftigungsphilosophien herausgebildet, die zu einer weiteren Differenzierung der Mittel geführt haben. Die Architektur von Hubschrauberrotoren zum Beispiel ist ein Aspekt, der eine Vielzahl von Designs zeigt, die sogar in Hubschraubern mit derselben Aufgabe zu finden sind. Denken Sie nur an die Boeing AH-64 „Apache“ und die Kamov KA-50 (Eröffnungsfoto), die beide als Kampfhubschrauber konzipiert wurden, aber mit völlig unterschiedlichen Designoptionen entwickelt wurden.

Allgemeine Informationen zu Rotoren

Der Rotor ist das mechanische Element, das aus mehreren Blättern besteht, die mittels einer Drehung die aerodynamische Kraft erzeugen, die zum Steuern und Stützen des Hubschraubers erforderlich ist. Es besteht aus einer mechanischen Welle, die von den Flugzeugtriebwerken in Rotation versetzt wird und auf der eine Nabe montiert ist. Die Schaufeln werden auf die Nabe aufgebracht. Die Erzeugung aerodynamischer Kräfte wird gerade durch die Drehung der Blätter ermöglicht: Während bei Flugzeugen der Luftstrom aufgrund der Vorwärtsbewegung des Flugzeugs selbst auf die festen Flügel trifft, handelt es sich beim Hubschrauber um die "Flügel" ( dh die Blätter) bewegen sich und schneiden durch die Umgebungsluft (daher die Definition von Drehflügelmitteln).

Eine weitere Schlüsselkomponente des Rotors ist die TaumelscheibeDies ist das mechanische Organ, mit dem sich der Hubschrauber in jede Richtung bewegen kann, indem die Richtung, in der sich die resultierende aerodynamische Kraft entwickelt, und die Intensität dieser Kraft geändert werden. Grundsätzlich kann die Taumelscheibe zwei Aktionen ausführen: Ändern des Einfalls aller Rotorblätter oder Ändern des Einfalls der Blätter während der Drehung auf andere Weise. Der erste Befehl wird aufgerufen kollektiver Schritt und ermöglicht es, den Wert des erzeugten Auftriebs zu variieren, und folglich ist es der Befehl, der für die Änderung der Höhe des Hubschraubers verantwortlich ist. Der zweite Befehl wird gesagt zyklischer Schritt und sein Zweck ist es, den Rotor und folglich die resultierende aerodynamische Kraft so zu kippen, dass eine Seitenkraftkomponente entwickelt wird, die es ermöglicht, das Fahrzeug in den vier horizontalen Richtungen (vorwärts, rückwärts, rechts und links) zu bewegen. Tatsächlich bedeutet die zyklische Variation des Einfalls der Schaufeln, dass einige Schaufeln mehr Auftrieb entwickeln als andere, und dies bewirkt, dass der Rotor in die Richtung kippt, in der weniger Auftrieb entwickelt wird.

Zu all dem müssen wir das hinzufügen müssen einen zweiten Rotor einführen Dies erzeugt eine Kraft (und damit einen Moment), die dem auf die Hubschrauberstruktur wirkenden Gegendrehmoment entgegenwirken kann. Für das dritte Prinzip der Dynamik bedeutet die Tatsache, dass ein Drehmoment angewendet wird, das die Hubschrauberblätter in Rotation versetzt, dass ein Reaktionsdrehmoment mit entgegengesetzter Richtung auf den Rumpf ausgeübt wird, bei dem das Fahrzeug um seine Gierachse (Achse) gedreht wird vertikal).

in klassische KonfigurationDer zweite Rotor befindet sich am Heck des Hubschraubers und hat die einzige Aufgabe, dieses Reaktionsdrehmoment aufzuheben. Daher unterscheidet sich der Hauptrotor von dem Heckrotor, mit verschiedenen Aufgaben. Diese Architektur wurde erstmals 1940 von Igor Sikorsky entworfen.

Der Heckrotor ist vertikal (senkrecht zum Hauptrotor) montiert, so dass der erzeugte Auftrieb ein Drehmoment erzeugt, das das Reaktionsdrehmoment aufhebt.

Eine zweite Lösung zur Lösung des Reaktionsmomentproblems besteht darin, den Hubschrauber mit auszurüsten gegenläufige gekoppelte Rotorendas heißt, ein oder mehrere Paare von Hauptrotoren, die sich in die entgegengesetzte Richtung drehen. Auf diese Weise haben die erzeugten Reaktionspaare eine entgegengesetzte Richtung und heben sich folglich gegenseitig auf, ohne dass daher ein Heckrotor eingeführt werden muss.

Diese Architektur hat vier mögliche Konfigurationen:

  1. Tandemrotoren

  2. Koaxiale Rotoren

  3. Rotoren schneiden

  4. Querrotoren

Analyse der möglichen Architekturen für Kampfhubschrauber

Wir kommen zum Fall von Hubschrauber angreifen. Normalerweise werden für dieses Medium die Rotorarchitekturen ausgewählt klassisch oder in einigen Fällen die mit koaxiale gegenläufige Rotoren. Aber was sind die Vor- und Nachteile beider Konfigurationen?

Unsere Analyse kann mit dem Vergleich der beginnen Stromverbrauch aus den beiden Vermögenswerten. Bei der Standardkonfiguration wird ein Teil der vom Motor gelieferten Leistung auf den Heckrotor übertragen, um das Gegendrehmoment auszugleichen, ohne dass dies zur Unterstützung oder Bewegung des Hubschraubers verwendet wird. Mit anderen Worten, es kann als "verschwendete" Kraft betrachtet werden.

Im Fall einer koaxialen Architektur sind andererseits beide Rotoren Hauptrotoren, dh beide erzeugen eine aerodynamische Kraft, die zum Antreiben des Hubschraubers nützlich ist. Folglich kann ein Hubschrauber mit koaxialen Rotoren mit der gleichen vom Motor gelieferten Leistung und der Form und Struktur der Blätter einen größeren Gesamthub erzeugen, was sich in einer größeren transportablen Last und einem größeren Bewegungsschub niederschlägt. Förderung.

Bei der klassischen Konfiguration müsste der Rotor vergrößert werden, um die gleiche Tragfähigkeit zu erzielen. Dies würde jedoch zu Problemen mit der Kompressibilität an den Enden der Schaufeln führen. Tatsächlich ist die Tangentialgeschwindigkeit an jedem Punkt der Klinge gegeben durch:

Durch Erhöhen des Radius würden an den Enden Geschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit erreicht. Dies würde zum Einsetzen von Stoßwellen und dem daraus resultierenden aerodynamischen Wellenwiderstand führen und die Struktur und Aerodynamik der Schaufeln beschädigen.

Der durch die koaxiale Konfiguration erzeugte Auftrieb ist jedoch nicht doppelt so hoch wie im Standardfall, sondern einfach größer, da die aerodynamische Wechselwirkung zwischen den Schaufeln der beiden Rotoren berücksichtigt werden muss.

Aus aerodynamischer Sicht können Koaxialrotoren die durch verursachten Effekte besser steuern Asymmetrie heben.

Um dieses Phänomen zu erklären, betrachten wir einen Hubschrauber mit einem einzigen Hauptrotor im fortgeschrittenen Flug. Die Rotorblätter können für jeden Rotationszyklus in zwei Gruppen unterteilt werden: le vorrückende Klingen sind diejenigen, die sich in die gleiche Vorwärtsrichtung wie der Hubschrauber bewegen, während die zurückweichende Klingen Sie bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung wie das Vorrücken des Fahrzeugs. Infolgedessen spüren die Vorwärtsblätter eine relative Windgeschwindigkeit, die der Summe ihrer Tangentialgeschwindigkeit plus der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers entspricht, während die Rückzugsblätter eine relative Windgeschwindigkeit fühlen, die ihrer Tangentialgeschwindigkeit abzüglich der Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers entspricht. 'Flugzeug. Folglich, da der Auftrieb mit dem Quadrat der Relativgeschwindigkeit zusammenhängt -- Die vorderen Blätter erzeugen mehr Auftrieb als die zurückgehenden („Hubasymmetrie“), wodurch ein gefährliches Rollmoment für das Fahrzeug entsteht.

Die gefundene Lösung zur Verringerung dieses Phänomens besteht darin, die Rotorblätter frei zu lassen, um eine vertikale Bewegung durch Anbringen von Scharnieren auszuführen, die als "flattern”, Durch die durch Änderung der Einfallswinkel der Auftriebsunterschied zwischen den beiden Regionen minimiert wird. Tatsächlich neigen die zurückweichenden Schaufeln dazu, sich nach unten zu bewegen, wodurch sich ihr Anstellwinkel aufgrund der Komponente der relativen Vertikalgeschwindigkeit nach oben und damit des erzeugten Auftriebs erhöht. Andererseits neigen die vorderen Blätter dazu, sich nach oben zu bewegen, wodurch der Anstellwinkel aufgrund der abwärts gerichteten relativen Vertikalgeschwindigkeitskomponente und damit des erzeugten Auftriebs verringert wird.

Das Problem bei diesem Auswuchtsystem ergibt sich aus der Tatsache, dass je höher die Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers ist, desto niedriger die von den zurückgehenden Blättern wahrgenommene Relativgeschwindigkeit ist, desto größer muss der Anstellwinkel sein, um den erforderlichen Auftrieb zu erzeugen. Gleichen Sie die Asymmetrie aus. Zusätzlich zu einem bestimmten Anstellwinkel blockieren die Schaufeln jedoch, d. H. Die Fluidvene löst sich vom Schaufelblatt, was einen vollständigen Auftriebsverlust und eine Erhöhung des Luftwiderstands verursacht. Ein solches Phänomen nennt man Stall der zurückgehenden KlingeDies führt zu einem plötzlichen Umkippen des Hubschraubers (der von den vorderen Blättern erzeugte Auftrieb erzeugt ein Moment in Bezug auf die Rollachse des Flugzeugs), was zu einem Kontrollverlust führt. Aus diesem Grund hat jeder Hubschrauber eine bestimmte Überschreiten Sie niemals die Geschwindigkeitd.h. eine Vorschubgeschwindigkeit, die nicht überschritten werden kann.

Bei der Konfiguration mit koaxialen Rotoren tritt andererseits das Abwürgen der zurückgehenden Blätter in entgegengesetzten Bereichen in den beiden Rotoren auf, da sie sich in entgegengesetzte Richtungen drehen. Folglich entsteht kein Auftriebsungleichgewicht zwischen den beiden Hälften und es entsteht kein Rollmoment, das zum Umkippen des Hubschraubers geführt hätte. Dort Überschreiten Sie niemals die Geschwindigkeit Bei Hubschraubern mit dieser Konfiguration ist sie daher größer, da der Strömungsabriss der sich zurückziehenden Schaufel nicht so bindend ist wie in der Standardkonfiguration, jedoch immer durch die Geschwindigkeit begrenzt ist, die die Kompressibilitätsphänomene an den Enden der Schaufeln auslöst.

Nachdem von "Flattern" gesprochen wurde, ist es daher notwendig, ein Problem im Zusammenhang mit diesem Aspekt hervorzuheben, das bei gegenläufigen koaxialen Rotoren auftritt. Die Schaufeln der einzelnen Rotoren müssen frei klappen können, um die Hubasymmetrie zu minimieren. Folglich müssen die beiden Rotoren in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sein, um einen katastrophalen Kontakt zwischen ihren Schaufeln zu vermeiden. Das bedeutet, dass die Gesamthöhe eines Hubschraubers mit dieser Konfiguration ist viel größer als der eines Hubschraubers mit einer klassischen Konfiguration.

Umgekehrt ermöglicht die Tatsache, dass sie keinen Heckrotor benötigen, viel mehr kompakt, Das macht die koaxiale Architektur auch für eingeschiffte Hubschrauber zu einer interessanten Wahl. Darüber hinaus ist eine der Hauptursachen für den Verlust von Hubschraubern die Beschädigung des Heckrotors oder des Getriebes, das ihn antreibt.

In einem militärischen Kontext macht die Tatsache, dass der Heckrotor nicht vorhanden ist, die Durchführung der Mission sicherer und verringert das Risiko, in wichtigen Teilen der Maschine getroffen zu werden. Tatsächlich ist es möglich, den Bereich, in dem sich die Getriebewellen und andere mechanische Komponenten der Rotoren befinden, zu verstärken, ohne das Gewicht zu stark zu belasten, wenn man die größere Konzentration dieser Vorrichtungen im Vergleich zur Standardkonfiguration und damit die erforderliche kleinere Oberfläche berücksichtigt. größerer Schutz.

Ein weiterer Vorteil der koaxialen Konfiguration ist schließlich die weniger Lärm Produkt im Vergleich zur Standardkonfiguration. Eine wichtige Geräuschquelle in einem Hubschrauber ist die Wechselwirkung zwischen den von den Hauptrotorblättern erzeugten Wirbeln und dem Heckrotor und dessen hoher Drehzahl, die aufgrund ihrer geringen Größe erforderlich ist. Durch den Wegfall des Heckrotors ist der Hubschrauber daher deutlich leiser und erzeugt im Bereich der beiden Hauptrotoren im Vergleich zur Einrotorarchitektur ein größeres Geräusch.

Schlussfolgerungen

Die meisten der entwickelten Kampfhubschrauber haben eine klassische Architektur mit Hauptrotor und Heckrotor, trotz der unterschiedlichen Vorteile, die die Konfiguration mit zwei koaxialen gegenläufigen Hauptrotoren zeigt. Die Motivation liegt in der mechanische Komplexität von der koaxialen Architektur gefordert. Denken Sie nur an die Notwendigkeit, zwei Taumelscheiben zu implementieren, eine für jeden Rotor, die unterschiedlich gekippt werden können und über eine perfekte Synchronität und mechanische Kupplungen verfügen, die den beiden Rotoren entgegengesetzte Drehmomente verleihen können. All dies führt zur Konstruktion komplexer mechanischer Systeme, die daher anfälliger für Ausfälle und schwieriger zu warten sind.

Die Komponente in Bezug auf die Know-How notwendig, um Systeme von solcher Komplexität zu entwerfen, die derzeit nur wenigen Unternehmen auf der Welt gehören. Es genügt zu sagen, dass die einzigen militärischen Kampfhubschrauber, die diese Technologie voll ausnutzen, von Kamov hergestellt werden, während Sikorsky an der "Westfront" den S-97 "Raider" entwickelt hat (derzeit Finalist mit dem Prototyp "Raider X" im Wettbewerb um die Aufklärungsflugzeug für zukünftige Angriffe der US-Armee).

Foto: Russisches Verteidigungsministerium / Web / US-Armee / Lockheed Martin