Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit ... Hubschraub  Dirk Fox / Thomas...

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  • 16 Der HubschrauberHubschrauber gehren zu den faszinie-rendsten Fluggerten: Sie knnen wie Kolibris in der Luft stehen, ohne Startbahn abheben, punktgenau landen und extrem wendige Manver fliegen. Zwar ist die Idee des Hubschraubers bereits Jahrhunderte alt, realisiert wurden die ersten funktions-fhigen Hubschrauber aber erst vor ca. 80Jahren denn so einfach, wie es aus-sieht, ist das Fliegen mit Rotoren nicht.

    Dirk Fox / Thomas Pttmann, Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit fischertechnik, dpunkt.verlag, ISBN 978-3-86490-296-3

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  • 16 Der Hubschrauber

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    Die Idee des Hubschraubers wird gemeinhin Leonardo da Vinci (14521519) zugeschrieben. So fand man in den Skizzen dieses genialen Florenti-ner Universalgelehrten dem wir nicht nur Kunstwerke wie die Mona Lisa oder Das letzte Abendmahl verdan-ken, sondern auch zahlreiche techni-sche Erfindungen (wie im fischertech-nik-Baukasten Da Vinci Machines) die Konstruktionszeichnung eines Luftschraubers.

    Tatschlich konnte dieser Luft-schrauber (Abb. 161) nicht funk-tionieren. Die Idee von Leonardo da Vinci war, den Luftschrauber wie

    eine archimedische Schraube in die Luft hineinzudrehen und auf diese Weise abzuheben.

    Das Konstruktionsprinzip heutiger Hubschrauberrotoren ist zudem erheb-lich lter: Dokumente belegen, dass es schon mehr als 1000 Jahre frher, im vierten Jahrhundert unserer Zeitrechnung, in China Kinderspielzeuge gab, die der Gestalt des Ahornsamens nachempfunden waren und die Funktionsweise eines Hubschrauberrotors modellieren. hnliche Spielzeuge sind in Europa seit dem 14. Jahrhundert bekannt. Mit etwas Geschick kann man sie mit Vogelfe-

    dern, einem Korkenstck und einem Schaschlik-Spie nachbauen: Dreht man den Spie schnell zwischen den Hnden an, fliegt der kleine Rotor durch die Luft.

    Aus Holz kann man einen solchen Rotor auch kaufen (Abb. 162); es gibt ihn sogar mit Halterung und Startschnur, die um den Stab gewi-ckelt wird. Zieht man am Schnurende, wickelt sich die Schnur ab und versetzt den Stab in eine schnelle Rotation und der Drehflgler hebt ab.

    Abb. 161 Luftschrauber von Leonardo da Vinci (ca. 1483)

    Abb. 162 Holzrotor-Spielzeug

  • Dynamischer Auftrieb

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    Dynamischer Auftrieb

    Warum aber fliegt ein solcher Rotor? Das ist keineswegs selbstverstndlich. Denn der Rotor ist schwerer als Luft anders als ein Luftschiff (Heiluftballon, Gasballon oder Zeppelin) sorgt also nicht eine geringere Dichte fr Auftrieb.

    Neben einem solchen statischen Auftrieb, auch als archimedisches Prinzip bekannt (die verdrngte Luft ist schwerer als das verdrngende Objekt), gibt es noch einen dynamischen Auftrieb. Dieser ist das wesentliche Funktionsprin-zip des Fliegens. Dynamischer Auftrieb entsteht, wenn ein flgelfrmiges Objekt sich durch ein Medium (z. B. Wasser oder Luft) bewegt. Die Form ist dabei ent-scheidend vor allem der spitze Zulauf des Flgelquerschnitts am hinteren Ende (Abb. 163).

    Vereinfacht lsst sich der Effekt wie folgt erklren: Bewegt sich das flgel-frmige Objekt schrg (also in einem Anstellwinkel) zur Bewegungsrichtung, strmt das Medium mit unterschiedli-chen Geschwindigkeiten an der Ober-flche entlang: Unterhalb der Neigung entsteht ein berdruck, da das Medium langsam strmt; oberhalb des geneigten Objekts strmt das Medium schneller, dort entsteht ein Unterdruck. Die Dif-ferenz zwischen Unter- und berdruck erzeugt eine Auftriebskraft, die das Objekt, sofern es nicht zu schwer ist, nach oben drckt.

    Je schneller sich das Objekt im Medium bewegt, desto grer ist der Druckunter-schied und desto strker der Auftrieb. Aus diesem Grund bentigt ein Flugzeug eine lange Startbahn, da die Flgel erst ab einer Mindestgeschwindigkeit gen-gend Auftrieb erhalten, um das Flugzeug zu tragen. Und aus demselben Grund bentigt ein Rennwagen einen Spoiler (gewissermaen eine umgedrehte Tragfl-che) dieser drckt das Fahrzeug nach unten, damit der Auftrieb es nicht vom Boden abheben lsst. Damit kann ein Formel-1-Rennwagen theoretisch sogar an der Decke fahren solange seine Geschwindigkeit nicht unter ca. 200 km/h sinkt.

    Die Mindestgeschwindigkeit muss ein Flugzeug auch whrend des Fluges hal-ten, damit es nicht zum Strmungsabriss kommt und das Flugzeug absackt oder gar ins Trudeln gert. Aber auch zu schnell darf es nicht fliegen erreicht es die Schallgeschwindigkeit, reit die Strmung ebenfalls ab.

    Abb. 163 Umstrmtes Flgelprofil mit ber- und Unterdruck

    Dirk Fox / Thomas Pttmann, Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit fischertechnik, dpunkt.verlag, ISBN 978-3-86490-296-3

  • 16 Der Hubschrauber

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    Und nicht nur die Geschwindigkeit kann Ursache fr einen Strmungsabriss sein auch der Anstellwinkel des Flgels ist kritisch, wenn er ber einem von Flgel-form, Gre und Material abhngigen Grenzwinkel liegt (deutlich unter 45).

    Drehflgler

    Bei einem Hubschrauber (Drehflgler) wird im Unterschied zum Flugzeug nicht das gesamte Flugobjekt bewegt, sondern nur die Flgel im Kreis sie wer-den daher Rotoren genannt. Auch beim Rotor hngt die Strke des Auftriebs von der Geschwindigkeit und der Neigung des Rotorblatts ab.

    Da sich ein Rotorblatt an der uersten Spitze sehr schnell durch die Luft bewegt bei blichen Rotordurchmessern von ca. 10 m und 400 Umdrehun-gen pro Minute mehr als 720 km/h und es sich daher schon bei verhltnis-mig niedriger Fluggeschwindigkeit (ca. 350 km/h) der Schallgeschwindigkeit und damit der Gefahr eines Strmungsabrisses nhert, wird die Umdrehungsge-schwindigkeit des Rotors konstant gehalten. Damit ist die Hchstgeschwindig-keit eines Hubschraubers konstruktionsbedingt beschrnkt.

    Der Auftrieb wird allein ber die Neigung des Rotorblatts gesteuert, auch Blattverstellung oder Pitch genannt.

    Entwicklung

    Eine zentrale Herausforderung bei der Konstruktion eines Hubschraubers ist der Drehmomentausgleich, der verhindert, dass sich der Hubschrauber unter dem Rotor um die Rotorachse dreht. Eine der ersten Konstruktionen, die das Dreh-moment mit koaxialen Rotoren (zwei bereinander angeordneten Rotoren mit entgegengesetzter Drehrichtung) ausglichen, stammt von dem russischen Uni-versalgelehrten Michail Lomonissow (17111765). Die Idee der Blattverstellung geht angeblich auf den Amerikaner Robert Taylor zurck, der diese Erfindung 1842 dem Luftfahrtpionier Sir George Cayley (17731857) angeboten haben soll.

    Im Jahr 1861 lie Gustave de Ponton dAmecourt (18251888) einen koaxi-alen Rotor (Abb. 164) patentieren. Dieses Prinzip wird heute noch bei kleinen ferngesteuerten Modellhubschraubern verwendet. Gustav Wilhelm von Achen-bach (18471911) entwarf 1874 den ersten einrotorigen Hubschrauber mit einem Heckrotor zum Ausgleich des Drehmoments.

    Der Bau funktionsfhiger Hubschrauber scheiterte jedoch daran, dass ausrei-chend leistungsfhige Dampfmaschinen zu schwer waren. Erst mit der Entwick-lung des Verbrennungsmotors durch Nicolaus August Otto (18321891) um

  • Entwicklung

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    das Jahr 1876 waren hinreichend starke und zugleich leichtere Motoren verfgbar.

    Am 13.11.1907 gelang Paul Cornu (18811944) mit seiner Konstruktion eines fliegenden Fahrrads der erste anerkannte Drehflgler-Flug ber 20 Sekunden mit zwei Tandemrotoren, die an Auslegern befestigt waren und gegenlufig angetrieben wurden. Weitere Fortschritte erzielte der Spanier Ral Pateras Pescara (18901966), der 1924 einen steuerbaren Hubschrauber mit vier koaxia-len Rotoren und zyklischer Blattverstellung konstruierte.

    Sein Landsmann Juan de la Cierva (18951936) entwickelte einen Tragschrauber, ein einmotoriges Flugzeug mit einem zustz-lichen Rotor fr den Auftrieb, der Anfang 1923 einen erfolgreichen Jungfernflug absol-vierte. Da der Rotor vom Fahrtwind ange-trieben wurde, bentigte er keinen Drehmo-mentausgleich.

    Abb. 165 Hubschrauber FW 61 von Heinrich Focke (1937)

    Der erste einsetzbare Hubschrauber, das Modell FW61 des deutschen Ingenieurs und Grnders der Focke-Wulf-Werke Heinrich Focke (18901979), verwendete wie Cornus Konstruktion zwei getrennte Hauptrotoren zum Ausgleich des Dreh-

    Abb. 164 Modellhubschrauber von Gus-tave de Ponton dAmecourt (1863)

    Dirk Fox / Thomas Pttmann, Bauen, erleben, begreifen: Technikgeschichte mit fischertechnik, dpunkt.verlag, ISBN 978-3-86490-296-3

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    moments (Abb. 165). Focke prsentierte seinen Hubschrauber 1937 in der Ber-liner Deutschlandhalle und stellte einen Flugrekord von einer Stunde und 20 Minuten auf, der erst von Sikorsky im Jahr 1941 gebrochenen werden konnte.

    Igor Sikorsky

    Das Konstruktionsprinzip von Hubschraubern der heute verbreitetsten Bauart mit einem Haupt- und einem Heckrotor wurde erstmals erfolgreich von dem gebrtigen Ukrainer Igor Sikorsky (18891972) umgesetzt, der nach der Okto-berrevolution 1919 in die USA emigriert war. Dort grndete er 1923 die Sikorsky Aircraft Corp., einen bis heute fhrenden Hersteller von Hubschraubern.

    Am 14.09.1939 gelang Sikorsky der Erstflug mit seinem Heckrotor-Hub-schrauber. Mit dem weiterentwickelten Modell VS-300 stellte er am 06.05.1941 einen neuen Flugrekord von ber 1,5 Stunden auf (Abb. 166).

    Abb. 166 Rekordflug von Igor Sikorsky im VS-300 (06.05.1941)

    Die Endversion des VS-300 erhielt einen 55-kW-Motor, eine einfache Blechver-kleidung und Kufen. Ein Foto dieses ersten Erfolgsmodells zierte am 21.06.1943 die Titelseite des traditionsreichen LIFE Magazine fr Fotojournalismus (Abb. 167).

  • Igor Sikorsky

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    Fr sein Lebenswerk als Pionier der Hub-schraubertechnik wurde Igor Sikorsky im Jahr 1988 in den USA mit einer 36-ct-Luftpost-Briefmarke geehrt (Abb. 169).

    So viel zur Geschichte des Hubschrau-bers. Wie aber funktioniert Sikorskys Hubschrauberkonstruktion in der Praxis? Das wird in den folgenden Abschnitten anhand