Flybarless vs Paddelstangen-Helikopter
- Hubschrauber fliegen nicht stabil! Stimmt das?
- Bell Steuerung (Dämpfung mittels Bell-Gewichten)
- Hiller Steuerung (Paddelstange)
- Bell-Hiller Steuerung
- Vor- und Nachteile von Flybarless-Systemen
- Vorteile
- Nachteile
- Experiment "Unkorrekter Lastschwerpunkt"
Hubschrauber fliegen nicht stabil! Stimmt das?
Das Rotorsystem besitzt eine Masse. In rotierender Bewegung unterliegt sie wie jede andere Masse den physikalischen Gesetzmäßigkeiten und ist damit von den sogenannten Kreiseleffekten beeinflusst. Bei den Kreiseleffekten handelt es sich um dynamische Vorgänge, die bewirken, dass am Hubschrauber (ähnlich einem sich drehenden Kreisel) die Fluglage auf der Längs- und Querachse stabilisiert wird.
Durch auftretende physikalische Einflüsse wird diese Stabilisierung allerdings negativ beeinflusst. Eine 100% wirksame Stabilisierung ist somit nicht möglich.
Bei Helikopter-Modellen, die in der Regel eine eher kleine Masse besitzen (geringere Trägheit), bewirken äußere Einflüsse schnelle Fluglagen Änderungen. Das Ziel einer Stabilisierung besteht also darin, die Fluglagen Änderungen möglichst stark zu dämpfen und die Eigenstabilisierung möglichst zu verstärken, damit Helikopter-Modelle sich wie ihre bemannten Vorbilder bewegen und steuern lassen.
Für die Stabilisierung des Hecks (Stabilisierung der Hochachse) bedient man sich schon länger der Dienste von Kreiseln (Gyros). Ohne diese Kreisel wäre an ein "Flugspaß bringendes Fliegen" gar nicht zu denken.
Für die Längs- und Querachse (Stabilisierung des Rotorkopfes) wurde für die Stabilisierung die so genannte Bell / Hiller Ansteuerung entwickelt.
Bell Steuerung (Dämpfung mittels Bell-Gewichten)
An beiden Enden einer Stange, welche mit dem Hauptrotor rotiert, befinden sich Gewichte (Bell-Gewichte).
Diese Stange ist zentrisch zur Rotorachse gelagert und schwenkbar. Über ein Gestänge ist diese zweite Rotorebene (genannt: Hilfs-Rotorebene) mit der Hauptrotorebene verbunden.
Die Neigung der Hilfsrotorebene beeinflusst direkt den zyklischen Anstellwinkel der Hauptrotorblätter.
Wenn der Hubschrauber seine Fluglage um die Längs- oder Querachse ändert, dann verbleibt die Hilfsrotorebene durch den Kreisel-Effekt (gyroskopischer Effekt) in der ursprünglichen Lage. Die Hauptrotorebene neigt sich relativ zur Hilfsrotorebene. Die dadurch wirkende zyklische Ansteuerung der Hauptrotorblätter wirkt der Fluglagenänderung entgegen.
Bei der BELL UH 1D, bemanntes Vorbild vieler Scale-Modelle (siehe Bild), wurde diese Technik angewandt.
Hiller Steuerung (Paddelstange)
Die Hiller-Steuerung wurde entwickelt, um über die Stange mit den Bell-Gewichten auch die Lenkung des Hubschraubers zu realisieren. Dazu wurde die schwenkbar gelagerte Stange mit den Gewichten (Bell Steuerung) durch eine kardanisch aufgehängte Stange ersetzt, an dessen Ende sich Hilfsflügel (genannt: Paddel) befinden.
Eine Drehung dieser Paddelstange (auch genannt: Stabistange) bewirkt eine Veränderung der Anstellwinkel der Paddel und somit eine Neigung der Hilfsrotorebene relativ zur Hauptrotorebene. Über ein Gestänge werden die Hauptrotorblätter zyklisch angesteuert und der Heli kann somit gesteuert werden.
Die Veränderung der Größe oder des Gewichtes der Paddel, sowie der Länge der Paddelstange, wird das Steuerungs- und Dämpfungsverhalten beeinflusst.
Dieter Schlüter, auch Urvater des Modellhubschraubers genannt, entwickelte die ersten Rotorköpfe für Modellhubschrauber, mit denen diese erstmals wirklich steuerbar wurden.
Bell-Hiller Steuerung
Die meisten unserer Paddelhelikopter sind mit einer Bell-Hiller Steuerung ausgestattet.
Seit mehreren Jahren übernehmen mehr und mehr elektronische Stabilisierungssysteme, genannt Flybarless-Systeme, die Stabilisierung unserer Modellhelikopter.
Aus gutem Grund?
Mehr Info zum Thema Rotorkopf unter Rotorkopf .
Warum verdrängen FBL Systeme die Paddelköpfe immer mehr?
Helikopter mit Paddelstangem lassen sich zwar ganz passabel fliegen, haben aber einen entscheidenden Nachteil. Äußere Einflüsse wie Wind haben merklichen Einfluss auf die Fluglage eines mit Bell Hiller Steuerung ausgerüsteten Helikopters.Für die Stabilisierung des Hecks werden schon seit geraumer Zeit Kreiselsysteme an Modellhelikoptern eingesetzt. Das rief die Entwickler auf den Plan, diese bewährte Technik auch für die Stabilisierung der Rotorebene (Roll und Nick) einzusetzen.
Wir kennen vom Heckkreisel bereits die beiden Betriebsmodi Normal und AVCS/ (Heading Hold).
Wobei der AVCS Modus dafür sorgt, dass das Heck in jeder Lage, fast ungeachtet äußerer Einflüsse, stabilisiert wird. Dieses auch für die Rotorebene zu realisieren war der Plan.
Was ist ein Flybarless System
Flybarless Systeme werden auch als Rigid Systeme bezeichnet und übernehmen die Stabilisierung auf allen drei Bewegungsachsen des Helikopters (Querachse, Hochachse und Längsachse bzw. Heck, Nick, Roll.
Bei Paddelköpfen stellt man das Steuerverhalten des Helikopters rein mechanisch ein. Bei einem FBL System erfolgen alle diese Einstellungen auf elektronischem Wege.
Wie funktioniert ein Flybarless System
Bei einem FBL System erfolgt die Stabilisierung der Längs- und Querachse über eine direkte Ansteuerung der Haupt-Rotorblätter.
Paddel und Stange werden nicht mehr benötigt.
In einem FBL System sind für jede der 3 Bewegungsachsen Sensoren verbaut. Die Bewegungen und Beschleunigungen des Helikopters auf den Achsen (Hoch-, Quer- und Längsachse) werden durch diese Sensoren erfasst und registriert. Die FBL-Elektronik wertet diese Signale aus. Gleichzeitig werden vom Sender kommende Steuerbefehle umgesetzt und an die Rotorblätter weitergeleitet. Die gesamte Signalverarbeitung wird von der FBL Einheit realisiert, welche auch geringste Abweichungen der Fluglage registriert und zwischen gewollten und ungewollten Änderungen der Fluglage unterscheiden kann.
Ein FBL System kann so die Fluglage eines Helikopters viel besser als eine Paddelstange stabilisieren.
Vor- und Nachteile von Flybarless-Systemen
Vorteile
- Ein FBL Kopf ist wesentlich kompakter und besteht aus weniger Teilen. Dadurch vermindern sich die Herstellungskosten für den Kopf.
- Bei einem Crash werden so potentiell weniger Teile am Kopf beschädigt, was sich positiv auf die Ersatzteilbeschaffungskosten auswirkt.
- Durch geringeren Luftwiderstand und weniger Masse ist der Energieverbrauch des Antriebes auch etwas geringer, was wiederum zu geringfügig längeren Flugzeiten führt.
- FBL Systeme gleichen Wind-Einflüsse sehr gut aus und erreichen dadurch stabilere Flugeigenschaften als Paddelsysteme.
- FBL Systeme können Fehler in der mechanischen Einstellung bzw. Balance ausgleichen, was aber auch ein gravierender Nachteil sein kann! (Siehe Experiment "Unkorrekter Lastschwerpunkt")
Nachteile
- Da die Taumelscheiben-Servos direkt ohne eine Hilfsrotorebene auf die Rotorblätter wirken, werden die Servos viel stärker belastet als mit Paddelkopf und müssen größere Kräfte aufbringen.
- Gute Flugeigenschaften sind nur mit Rotorblättern zu erreichen, die einen sauberen Nulldurchgang aufweisen.
- Die Anschaffungskosten für einen FBL Rotorkopf sind trotz weniger aufwendiger Bauweise etwa gleich mit Paddelköpfen. Es werden auch stärkere, teurere Servos benötigt.
- Das Steuerverhalten fühlt sich vergleichsweise "synthetisch" an. Was jedoch wiederum nicht wirklich ein Nachteil ist, denn daran gewöhnt man sich schnell.
- Da FBL Systeme mechanische Einstellfehler kompensieren können, merkt man nicht sofort, wenn etwas nicht stimmt.
Experiment "Unkorrekter Lastschwerpunkt"
Wir stellen uns einmal vor, dass wir zwei korrekt im Schwerpunkt ausbalancierte Helikopter haben. Und zwar einen Heli mit Paddelkopf und den zweiten Helikopter mit FBL System. Beide Helikopter sind perfekt eingestellt und fliegen super. Nun tauschen wir an beiden Helikoptern die Flugakkus gegen schwerere Akkus aus, oder verändern deren Lage so, dass sich der Lastschwerpunkt merklich nach vorn verschiebt.
Paddelhelikopter
Am Paddelhelikopter wird diese Veränderung beim Fliegen drastisch spürbar sein. Der Hubschrauber wird die Nase permanent nach unten ziehen, da er nicht mehr richtig ausbalanciert ist. Wir müssen manuell am Sender gegensteuern und permanent Nick ziehen um die Nickachse in Position zu halten.
FBL-Helikopter
Beim FBL-Helikopter werden wir dagegen nicht viel von dieser Veränderung des Lastschwerpunktes mitbekommen. Warum?
Das FBL erkennt sehr genau, dass der Heli die Nase absenken möchte, ordnet diese Fluglagenänderung aber den äußeren Einflüssen zu und kompensiert die Abweichung durch permanentes automatisches Gegensteuern auf der Nickachse.
Learnings
Der positive Aspekt hierbei ist, dass der FBL-Helikopter die Fluglage automatisch korrigiert. Der Pilot wird (fast) nichts vom unkorrekten Lastschwerpunkt bemerken.
Negativ fällt hierbei jedoch folgendes auf:
- durch das permanente automatische Gegensteuern des FBL Systems, kann der Energieverbrauch des Antriebes stark ansteigen und die Flugzeit drastisch reduziert sein.
- Das Flugverhalten des Helis kann sich mitunter negativ verändern. In unserem Falle ist zumindest auf der Nickachse mit Beeinträchtigungen zu rechnen, die sich zumindest bei stärkerer Beanspruchung zeigen.
Bei einem Paddelhelikopter macht sich ein nicht korrekter Lastschwerpung immer direkt bemerkbar, während dies bei einem FBL-System nicht immer der Fall ist, da das FBL korrigierend wirkt. Eine indirekte Folge wären beim FBL-Helikopter eine verminderte Flugzeit und geändertes Flugverhalten.
Rigid
Rigid bedeuted soviel wie "starr" beschreibt die Funktion eines elektronischen Stabilisierungs-Systems (FBL) als Ersatz für eine mechanische Stabilisierung eines Helikopters.
Rettungsfunktion und Horizontmodus
Nicht jedes FBL System hat eine Rettungsfunktion inkludiert..
Die Rettungsfunktion ist eine Zusatzfunktion zur eigentlichen Rigid-Stabilisierung des Helikopters.
Die Rettungsfunktion wird meist über Tastendruck am Sender ausgelöst. Bei Aktivierung der Rettungsfunktion sorgt das FBL System für eine schnelle horizontale Ausrichtung des Helikopters - egal aus welcher Fluglage heraus. Zusätzlich kann zur automatischen horizontalen Ausrichtung eine automatische Pitchsteuerung für ein Steigen des Helis eingestellt werden.
Die Rettungsfunktion lässt den Heli demnach auch an Höhe gewinnen. Die Horizontstabilisierung ist im Grunde genommen eine Rettungsfunktion ohne automatische Pitchzugabe, welche auch vom Piloten in Grenzen übersteuert werden kann.
Position halten, Positions-Modus
Nicht jedes FBL System beherrscht diesen Modus. Dieser hat mit der eigentlichen Funktion eines FBL Systems nichts zu tun, kann aber in das Gesamtsystem FBL integriert sein kann.
Der Positions-Modus ist eine Zusatzfunktion zur eigentlichen Rigid-Stabilisierung des Helikopters.
Als Positions-Modus bezeichnet man eine Funktion, die den Heli auf einer relativen Position zum Boden fixiert. Lässt man die Steuerknüppel los, dann sorgt der Positions-Modus dafür, dass der Heli auf der Stelle gehalten wird. Die FBL Systeme mit Positionsmodus bedienen sich dabei entweder des GPS Signals oder einer Kamera, die den Boden abtastet, oder einer Kombination aus beidem.
Höhe halten, ATTI Mode
Eine weitere Funktion, die im Zusammenhang mit FBL Systemen manchmal genutzt wird, ist der Modus "Höhe halten", welcher unter verschiedenen Bezeichnungen Anwendung findet. Dieser ist aber weniger relevant und hat mit der eigentlichen Funktion eines FBL Systems nichts zu tun.
Lohnt sich der Umstieg von Paddel auf ein FBL System?
Wer bereits einen hochwertigen Paddelkopf besitzt, der sollte diesen aus auch behalten und von einem Umbau absehen. Zumindest dann, wenn durch den Umbau auch neue teure Servos angeschafft werden müssen, ist bei vielen die Antwort "Nein". Wenn Geld und Zeit jedoch keine allzu große Rolle spielen, dann kann ein Umbau sich lohnen. Spätestens nach einem Crash bzw. vor einer anstehenden Reparatur des noch vorhandenen Paddelkopfes kann man erneut die Situation abwägen und sich für den Umbau auf ein FBL entscheiden.
Bei Neukauf eines Helikopters kann ich an dieser Stelle jedoch eine klare Empfehlung für das FBL System aussprechen.
Die gute Stabilisierung und die Zusatzfunktionen, die heutige FBL Systeme bieten bringen Vorteile gerade für Anfänger.
Was gibt es bei der Umrüstung von Paddel auf Flybarless zu beachten
Wer von Paddel auf FBL umstellen möchte, der sollte beachten, dass in der Regel starke und schnelle Servos benötigt werden, die eine größere Stellkraft aufbringen, als dies bei Paddelhelis erforderlich ist. Das ist notwendig, da die Servos bei FBL direkt (über die Taumelscheibe) die Rotorblätter ansteuern, ohne die verstärkende und dämpfende Paddelebene dazwischen. Bei FBL ist auch die Belastung der Servogetriebe größer.
Welche Rotorblätter kann ich für FBL nutzen?
Paddelsysteme benötigen am Blatt einen gar nicht so geringen Vorlauf. Dabei schwingt das Blatt senkrecht an der Bohrung aufgehängt in Richtung Blattnase nach vorn. Man spricht von Blattvorlauf. Dieser Blattvorlauf unterstützt die Steuerbewegungen und ist bei Paddelsystemen dringend erforderlich. Ohne diesen Blattvorlauf werden die Paddelsysteme relativ träge in der Steuerung. Dadurch auftretende Torsionskräfte an der Blattaufhängung werden durch die Paddelmechanik aufgefangen, die TS-Servos werden nicht sehr stark belastet. Der gewünschte Vorlauf kam der Konstruktion und Produktion des Blattes entgegen.
Anders sieht es bei den Flybarless-Systemen aus. durch den Wegfall der Mechanik der Hilfsrotorebene werden die durch den Vorlauf auftretenden Kräfte direkt an die Servos weitergegeben, diese stehen dann unter Dauerstress. Diese Belastung kann bei längeren Flugzeiten und anhaltend harten Manövern eine Überlastung der Servos und damit deren Ausfall nach sich ziehen. Dem kann man durch konstruktive Vermeidung des Vorlaufs bei der Produktion des Blattes wirkungsvoll begegnen. Das Blatt für FBL sollte wenig bis keinen Vorlauf aufweisen.
Jetzt muss man jedoch folgendes wissen! Nicht das Blatt an der Wand aufgehängt soll keinen Vorlauf haben, sondern das Blatt im Flug. Ein erheblicher Unterschied! Das Blatt schwingt im Flug durch den aerodynamischen Blattwiderstand ganz leicht nach hinten, dies gilt es durch einen genau bestimmten Vorlauf zu kompensieren. Deshalb sprechen wir auch nicht von einem Blatt ohne Vorlauf (das war seither der übliche Sprachgebrauch) sondern von einem für FBL-Systeme optimierten Blatt. Dieses hat einen winzigen, aber doch deutlich sichtbaren Vorlauf. Damit soll das Blatt im Flug bestmöglich neutral stehen, die Servos werden dabei entlastet.
Es hat sich gezeigt, dass dies unter der Vorgabe des gleichen Gewichts gar nicht so einfach ist. Erst der Einsatz von speziellen Materialien hat dies möglich gemacht.
(Diese Info stammt vom Blattschmied, einem namhaften Hersteller von Rotorblättern für Modellhubschrauber. Die Vertretung wurde durch Helitec übernommen.)
