Grundlagen der Dynamik von Hubschrauber-Rotoren

Abstract

Kapitel~1 zeigt anhand von Unfällen der Drehflügelflugzeuge der Pioniere Focke, Flettner und Sikorsky die Bedeutung der Rotordynamik auf und erarbeitet die Grundlagen des Schwingungsverhaltens eines linearen Feder-Masse-Dämpfer Systems, denn dies ist die Grundlage zum Verständnis aller Probleme der Rotordynamik. Die Dynamik der Schlagbewegung als wichtigste Bewegungsform eines Rotorblattes wird in Kapitel~2 vorgestellt. Dies beinhaltet auch die mathematischen Methoden zur Ermittlung des Eigenschwingungsverhaltens sowie der dynamischen Antwort auf externe Erregung. Gegenstand von Kapitel~3 sind die Lösungsmethoden der Differentialgleichungen des Rotorblattes im drehenden Rotor, aber auch die Transformation der Bewegungsgleichungen in das nicht drehende, hubschrauberfeste Koordinatensystem. Die zunächst isolierte Betrachtung der Schwenk- und Torsionsbewegung von Rotorblättern ist Inhalt des Kapitels~4, worauf sich die verkoppelten Bewegungsgleichungen aller drei Freiheitsgrade anschließen. Da Schwingungsprobleme von Hubschrauberrotoren -~mit Ausnahme der quasi-stationären Divergenz~- fast ausschließlich Schwingungen wenigstens mit der Rotordrehfrequenz oder auch deutlich höheren Frequenzen sind, kommt der Betrachtung instationärer Aerodynamik eine wichtige Rolle zu, welche in Kapitel~5 beschrieben wird. Damit sind alle Grundlagen geschaffen, um sich den aeroelastischen Problemen wie Flattern der Rotorblätter oder deren Torsionsdivergenz in Kapitel~6 zu befassen. Die Bodenresonanz wird in Kapitel~7 behandelt und ist auch heute noch ein gefürchtetes Phänomen des Hubschraubers, wo die Schwenkbewegung mit dem Schwingungsverhalten der Hubschrauberzelle koppelt. Möglichkeiten und Physik der hochfrequenten aktiven Rotorsteuerung über die Blattwurzel, mittels Klappen am Rotorblatt oder mittels spannweitiger Verwindung werden in Kapitel~8 dargestellt. Abgerundet wird das Themenspektrum in Kapitel~9 insbesondere mit der Modelltechnik im Rotorbereich, den verschiedenen Skalierungsmöglichkeiten sowie der notwendigen Ausrüstung mit Instrumentierung oder Messtechnik. Jedes Kapitel hat eine eigene Literaturliste, wobei Wert darauf gelegt wurde, die Originalquellen zu den verschiedenen in Anwendung kommenden Theorien zu zitieren. Zahlreiche Übungen vertiefen das Verständnis der theoretischen Darstellungen und die Lösungen dazu sind im Anhang gegeben. Ebenso finden sich dort einige Datenblätter zu historischen Hubschraubermodellen als auch der Bo105 als dem bisher erfolgreichsten deutschen in Serie gebauten Hubschrauber. Im Anhang befinden sich die Lösungen zu den Übungsaufgaben.