Rotorkopf am Modellhelikopter - Aufbau und Funktion
Der Rotorkopf ist ein zentrales Element am Hubschrauber. Im Prinzip gleicht der Rotorkopf einer horizontal angeordneten Luftschraube (Propeller), die senkrechten Auftrieb erzeugt.
Doch ein Rotorkopf ist wesentlich komplexer in Aufbau und Funktion als eine bloße Luftschraube.
Der Rotorkopf ist am oberen Ende der Rotorwelle befestigt. Im Zentrum des Rotorkopfes befindet sich das Rotorkopf-Zentralstück, welches fest mit der während des Betriebes rotierenden Rotorwelle verbunden ist. Außen am Zentralstück sind in gleichmäßigen Winkelabständen die Rotorblatthalter angeordnet, welche die einzelnen Rotorblätter halten.
Winkelabstand abhängig von der Rotorblatt-Anzahl
Die Winkelabstände zwischen allen benachbarten Rotorblatthaltern sind abhängig von der Anzahl der Rotorblätter und immer exakt gleich.
Auftriebssteuerung durch Drehzahl und Blatt-Anstellwinkel
So wie es Luftschrauben mit verstellbarem Anstellwinkel der Blätter gibt, so gibt es auch Rotorköpfe an Hubschraubern mit verstellbarem Anstellwinkel der Rotorblätter und Rotorköpfe ohne verstellbaren Anstellwinkel der Rotorblätter.
Bei Hubschrauber-Rotorköpfen ohne verstellbaren Anstellwinkel der Rotorblätter, kann der Auftrieb einzig durch Veränderung der Drehzahl gesteuert werden. Da der Anstellwinkel der Rotorblätter unveränderbar ist, nennt man diese Konstruktion auch Fixed-Pitch, kurz: FP.
Bei Hubschrauber-Rotorköpfen mit verstellbarem Anstellwinkel der Rotorblätter, kann der Auftrieb durch Veränderung des Blattanstellwinkels gesteuert werden. Rotorkopf-Konstruktionen mit Blattverstellung werden als Collectiv-Pitch bezeichnet, kurz: CP.
Fixed-Pitch (FP)
Diese Art der Auftriebssteuerung ist wenig direkt, weil eine Drehzahlveränderung bedingt durch die Trägheit der Masse der Blätter, nur zeitverzögert erfolgt. Aus diesem Grunde sind Fixed-Pitch Rotorköpfe überwiegend bei kleinen Spielzeughelikoptern zu finden.
Collectiv-Pitch (CP)
Luftschrauben und Rotorköpfe mit verstellbarem Blatt-Anstellwinkel ermöglichen eine Steuerung des Vorschubs/ Auftriebs durch Veränderung des Anstellwinkels, auch ohne Drehzahländerung.
Rotorkopf-Unterscheidungsmerkmale
Es gibt neben der Unterteilung in FP und CP weitere Unterscheidungsmerkmale:
1 Anzahl der Rotorblätter (2 bis 7)
2 Drehrichtung Clockwise oder Counterclockwise (CW oder CCW)
3 Anzahl der Rotorkreisebenen (1 oder 2)
4 Anordnung der Rotorkreisebenen
5 Rotorblatt-Anlenkung vor- oder nacheilend
6 Art der Stabilisierung (FBL oder Stange/ Paddel)
Anzahl der Rotorblätter
Neben Rotorköpfen mit nur zwei Rotorblättern findet man auch Mehrblatt-Rotorköpfe mit 3 (drei) bis 7 (sieben) Rotorblättern. Die Anzahl der Rotorblätter wirkt sich maßgeblich auf die Tragfähigkeit des gesamten Helikopters aus. Lastenhelikopter haben oft 5 oder 7 Rotorblätter um den für den Transport von schweren Lasten benötigten Auftrieb erzeugen zu können.
Ferngesteuerte 3D-Modellhelikopter haben in der Regel nur 2 Rotorblätter.
Drehrichtung (CW oder CCW)
Es gibt sowohl links- als auch rechtsdrehende Rotorköpfe. Bei den 3D-Helikoptern dominiert das rechtsdrehende System. Da Scale- Modelle dem großen Vorbild nahekommen sollen, findet man hier auch öfter linksdrehende Rotorköpfe. Auf die Funktion hat die Drehrichtung des Rotorkopfes keinen weiterreichenden Einfluss.
In der Draufsicht auf den Rotorkopf des Helikopters erkennt man die Drehrichtung. Clockwise (CW, rechtsdrehend) steht für Drehung im Uhrzeigersinn und Counterclockwise (CCW, linksdrehend) steht für die Drehrichtung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn.
Anzahl und Anordnung der Rotorkreisebenen
A) Eine Rotorkreisebene
Die meisten bemannten Helikopter besitzen nur eine einzige Rotorkreisebene.
Im Heli-Modellsport findet man ebenfalls vorrangig Rotorköpfe mit nur einer Rotorkreisebene.
Single-Rotor-Helikopter (eine Rotorebene)
B1) Zwei parallele Rotorkreisebenen
Der Koaxial-Helikopter besitzt zwei parallel zueinander angeordnete Rotorkreisebenen.
KA-26 Russischer Doppelrotor Helikopter
B2) Zwei winklig zueinander angeordnete Rotorkreisebenen
Kaman-Helikopter mit Flettner-Rotorkopf (zwei ineinander-kämmende Rotoren)
Der Flettner-Rotorkopf besitzt zwei Rotorkreisebenen, die in einem Winkel zueinander stehen.
B3) Doppelrotor mit zwei horizontal versetzten Rotoren
CH-46 Chinook Modellhelikopter mit zwei Rotoren, Besitzer und Foto: Michael Thaler
Stabilisierung
Man unterscheidet zwischen Rotorkopf mit Paddelstangen-Stabilisierung, auch Bell-Hiller-Hilfsrotor genannt, und Rotorkopf ohne Hilfsrotor.
Rotorkopf mit Hilfsrotor
Bei diesen Rotorköpfen kann der Hilfsrotor, der aus einer Stange mit Gewichten oder Hilfspaddeln besteht, sowohl oberhalb als auch unterhalb der Rotorkreisebene angebracht sein.
Stabilisierungsstange am Rotorkopf einer Bell UH1D und ein Schlüter Heliboy aus dem Jahre 1982 einer der ersten Paddelrotorköpfe
Flybarless-Rotorkopf
Eine Stange mit Paddeln und/oder Gewichten findet man bei Flybarless-Rotorköpfen nicht. Die Stabilisierung erfolgt auf elektronischem Wege. Das spart Teile, Gewicht sowie Material und eröffnet neue Möglichkeiten der Parametrierung.
Align T-Rex 250 und T-Rex800 Flybarlesshelikopter mit elektronischer Stabilisierung
Mainstream Zweiblatt-Rotorkopf
Das Bild zeigt mehrere Airwolf-Helikopter mit Zweiblatt-Rotorkopf
Im Helikopter-Modellbau sind Zweiblatt-Rotorköpfe am häufigsten vorzufinden. Zweiblatt-Rotorköpfe sind im Vergleich zu Mehrblatt-Rotorköpfen weniger komplex aufgebaut, einfacher einzustellen und preisgünstiger in der Anschaffung.
Konsequente Leichtbauweise und hochbelastbare Rotorblätter aus Verbundwerkstoffen, machen Zweiblatt-Rotorköpfe im Helikopter-Modellbau universell einsetzbar.
Mehrblatt-Rotorköpfe im Modellbau
Dreiblatt-Rotorkopf an einem Big Lama Scale-Modellhelikopter
Nur selten ist der Einsatz von mehr als zwei Rotorblättern im Modellbau wirklich notwendig. Der häufigste Grund für die Verwendung von Mehrblatt-Rotorköpfen ist hier schlicht und einfach die Optik! Denn ein gutes Scalemodell ist dem Vorbild immer möglichst ähnlich. Das gilt ganz besonders für den Rotorkopf und die Anzahl der Rotorblätter. Lediglich bei hohen Modellgewichten kann der Einsatz von Mehrblattköpfen aus Gründen der Tragkraft erforderlich werden oder zumindest sinnvoll sein. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Rotorkopf-Drehzahl möglichst niedrig ausfallen soll, um dem bemannten Vorbild optisch und akustisch zu entsprechen.
Funktionsprinzip Rotorkopf von bemannten Helis und Modellhelikoptern
Das allgemeine Funktionsprinzip der Rotorköpfe von bemannten Helikoptern und deren von Modellhelikoptern ist identisch. Beide unterscheiden sich jedoch im Aufbau voneinander, was hauptsächlich den unterschiedlichen Anforderungsprofilen geschuldet ist.
Rotorkopf-Schlaggelenke
Ein treffliches Beispiel für ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal sind die Schlaggelenke. Die Schlaggelenke am bemannten Helikopter erlauben dem Rotorblatt eine begrenzte Auf- und Abwärtsbewegung von wenigen Winkelgraden. Das Schlaggelenk befindet sich direkt an der Blattaufhängung. Typische Schlaggelenke sind beim Modellhelikopter in der Regel nicht vorzufinden. Vielmehr kommen hier einache Dämpfergummis zum Einsatz, die in ihrer Funktion den Schlaggelenken ähneln.
Im heutigen Zeitalter der Flybarless-Helikopter werden die ursprünglich weichen Dämpfergummis sogar durch sehr harte Gummidämpfer ersetzt, denn FBL-Systeme funktionieren besser mit einer harten Dämpfung, denn sie benötigen die direkte ungedämpfte Reaktion des Helis auf die Steuerung.
Belastung von Rotorkopf und -blatt
Die Spitzen der Rotorblätter erreichen Umfangs- Geschwindigkeiten von mehreren Hundert km/h. Dabei werden durch die Masse der Rotorblätter hohe Fliehkräfte erzeugt, die vom Rotorkopf aufgenommen werden müssen.
Der Rotorkopf muss dabei das gesamte Gewicht des Helikopters tragen. Die Rotorwelle ist Biegebelastungen ausgesetzt, die durch zyklische Steuerbefehle und äußere Einflüsse entstehen. Der Rotorkopf, vor allem der Bereich der Blattaufhängungen, muss Schlagbelastungen der Rotorblätter dämpfen.
Beim Modellhelikopter kommen im 3D-Kunstflug, bedingt durch die extreme Leistungsfähigkeit der Antriebe in Verbindung mit schnellen Lastwechseln, weitere starke Belastungen hinzu.
Rotorkopf mit Paddelstange
Die Bell-Hiller-Mischung beim Rotorkopf mit Paddelstangen-Stabilisierung erfolgt durch eine mechanische Konstruktion, die sich zwischen Taumelscheibe und Rotorblatt-Anlenkung befindet. Sie verstärkt die Stellkräfte der Taumelscheiben-Servos und dämpft gleichzeitig die von den Blättern kommenden Schläge und Stöße.
Aufbau eines Rotorkopfes mit Paddelstange
Im Bild zu sehen ist ein typischer Zweiblatt-Rotorkopf eines etwa im Jahr 2006 auf den Markt gekommenen Align T-Rex 600 mit Paddelstange zur Stabilisierung. Die Paddelebene liegt bei diesem Kopf unter der Rotorblatt-Ebene. Die Paddelebene kann sich konstruktionsbedingt aber auch über den Rotorblättern befinden.
Bell- & Hiller-Steuerung
Für die Umsetzung der zyklischen Steuerbefehle am Modellheli bedient man sich der Entwicklungen von Bell & Hiller.
Bell-Steuerung
Die Bell-Steuerung ist der Steueranteil der von der Taumelscheibe direkt an die Blatthalter übertragen wird. Der Bell-Steueranteil ist folglich ein direktes Steuersignal. Die reine Bell-Steuerung im übertragenen Sinne kommt bei FBL-Helikoptern zum Einsatz.
Hiller-Steuerung
Die Hiller-Steuerung wird über die eigentliche Paddelstange realisiert. Die Paddelstangenebene wird durch die Zentrifugalkraft stabilisiert. Diese relativ stabile Lage dieser Ebene wird jedoch beeinflusst und verändert, sobald ein zyklisches Steuersignal von der Taumelscheibe (Kippung der Taumelscheibe) kommt. Diese zyklische Veränderung wird über den „Hillerarm“ als indirektes Steuersignal auf die Blatthalter weitergeleitet.
Bei Fixed-Pitch-Modellen wird nur die reine Hiller-Steuerung eingesetzt.
Kombinierte Bell-Hiller-Steuerung
Die Kombination aus Bell und Hiller Steuerung ist eine Steuerung mit direktem und indirekten Steueranteil. Am Hillerarm von Paddelrotorköpfen kann durch Veränderung der Hebellängen das Mischverhältnis von Bell zu Hiller eingestellt werden. Auf Grund der stabilisierenden Zentrifugalkraft der sich drehenden Paddelstange erfolgt die Einmischung des Hiller-Signals auf die Rotorblätter vergleichsweise weich und sanft.
Je größer der Bell-Steueranteil ist, umso direkter regiert das Modell auf zyklische Steuereingaben, denn dieser Steueranteil kommt immer direkt an den Rotorblättern an. durch Erhöhung des Bell-Steueranteils vergrößern sich sowohl die zyklischen, als auch die kollektiven Pitchwerte.
Flybarless-Rotorkopf (FBL)
Bei Flybarless-Rotorköpfen fehlt dieser zwischengeschaltete und verstärkende, sowie dämpfende mechanische Bell-Hiller-Mischer.
Die Übertragung der Stellkräfte der Taumelscheiben-Servos erfolgt über die Taumelscheibe direkt auf die Rotorblatthalter. An die Servos von FBL-Systemen werden daher höhere Anforderungen gestellt.
Neben einer hohen Stell- und Haltekraft müssen die Servogetriebe eine hohe Robustheit aufweisen.
Voreilende und nacheilende Anlenkung bzw. Ansteuerung der Rotorblätter
Voreilende Anlenkung der Rotorblätter
Bei der voreilenden Ansteuerung der Blätter befindet sich die Rotorblatt-Anlenkung in Drehrichtung gesehen vor dem Rotorblatt. Die Hiller Rate (das Mischverhältnis der Paddelebene) bei voreilend angesteuerten Paddelköpfen ist im Normalfall auf einen Wert von max. 50% begrenzt.
Nacheilende Anlenkung der Rotorblätter
Bei dieser Art der Ansteuerung befindet sich die Blattanlenkung in Drehrichtung gesehen hinter dem angesteuerten Rotorblatt. Die Anlenkung eilt dem Blatt hinterher. Daher der Begriff „Nacheilende Anlenkung“. Mit einer nacheilenden Anlenkung kann man die Hiller-Rate bei Paddelköpfen deutlich erhöhen.
Rotorkopfzentralstück, Dämpfung und Blatthalter
Das Bild zeigt den Schnitt durch einen typischen Zweiblatt-Rotorkopf, wie er an modernen Modellhelikoptern zum Einsatz kommt.
Das Rotorkopf-Zentralstück stellt die Verbindung zwischen der Rotorwelle und den Rotorblättern dar. Am Rotorkopf-Zentralstück werden die Blatthalter befestigt. Bei Zweiblatt-Rotorköpfen im Modellbereich befindet sich im Zentralstück meist eine durchgehende Bohrung, die eine Blattlagerwelle und die Dämpfungsringe beherbergt. An Rotorköpfen mit mehr als zwei Rotorblättern sind die Blatthalter mittels Blattlagerzapfen in entsprechender Anzahl am Zentralstück befestigt.
Heute findet man überwiegend Zweiblatt-Rotorköpfe mit durchgehender Blattlagerwelle auf dem Markt. Die Blattlagerwelle ist im Rotorkopf-Zentralstück mittels beidseitiger Dämpfer (Gummibuchsen) mehr oder weniger "weich" gelagert. Ausschlaggebend ist hier die "Härte" der Dämpfergummis. Die Rotorkopfdämpfung hat die Aufgabe, dem Rotorblatt im Flug eine minimale Bewegung nach oben oder unten zu ermöglichen. Diese Bewegung des Blattes wird als "Schlagbewegung" bezeichnet. Die so ermöglichte "Schlagbewegung" des Blattes bei entsprechender Krafteinwirkung auf das Blatt ist wichtig für einen schnellen Geradeausflug, denn durch die "Schlagbewegung" werden unterschiedliche Anström- Geschwindigkeiten von vorlaufendem und rücklaufenden Rotorblatt ausgeglichen.
Für Rundflug und Schwebflug sind "mittelharte" Dämpfergummis gut geeignet, für extremen 3D Flug setzt man vorwiegend "harte" Dämpfergummis ein. Die Härte wird in Shore angegeben. Umso größer die Shorezahl, umso härter der Gummi. Der Fachhandel hält hier eine große Auswahl bereit.
Dämpfung und Aufhängung der Blatthalter
Im Bild zu sehen ist die Darstellung eines Rotorblatthalters . Dieser ist drehbar gelagert und ermöglicht so eine Veränderung des Pitchwinkels
Abhängigkeiten von Flugstabilität und Agilität beim Paddelhelikopter
Bei guten Paddelkopf-Helikoptern sind die Steuerwege der Paddel über Einhängepunkte verstellbar.
Wenn der indirekte (Hiller) Steueranteil erhöht wird, dann führt das zu mehr Flugstabilität.
Je länger die Paddelstange - umso höher ist die Umfangsgeschwindigkeit der Paddel. Dadurch steigt die Zentrifugalkraft der Paddelebene, und der Helikopter fliegt stabiler. Gleichzeitig werden auf Grund der höheren Umfangsgeschwindigkeit die Paddel aber auch stärker von der Luft angeströmt. Das hat wiederum eine Vergrößerung der zyklischen Kräfte am Rotorkopf zur Folge.
Die maximal zulässige Länge der Paddelstange (von einem Ende zum anderen Ende gemessen) ist etwa 30% des Rotorkreisdurchmessers. Länger sollte die Stange nicht sein.
durch Vergrößern des Paddelgewichtes durch Zusatzgewichte oder schwerere Paddel, erhöht sich die Fliehkraft derselben. Der Helikopter fliegt damit stabiler, reagiert aber auf Grund der Masseträgheit von Paddel und Zusatzgewichten weniger agil auf zyklische Steuerbefehle.
Vergrößert man die Paddel, dann reagiert der Heli stärker auf zyklische Steuereingaben, da die Paddel durch die größere angeströmte Fläche auch größere Schubkräfte in die entsprechende Richtung entwickeln und zyklische Steuersignale "aggressiver" eingemischt werden. Zyklische Steuereingaben werden durch größere Paddelflächen verstärkt.
Eine Erhöhung des Paddelgewichtes oder das Anbringen von Zusatzgewichten führt zu mehr Flugstabilität und geringerer Agilität - vice versa.
Rotorkopf- Drehzahl und - Belastung
Die Rotordrehzahl ist maßgeblich für die Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblätter.
Regel für Anfänger: Drehzahl immer so gering wie möglich, aber so hoch wie nötig!
Die Rotordrehzahl wird durch die folgenden Faktoren eingegrenzt:
Heligröße bzw. Länge der Rotorblätter
je länger die Rotorblätter, umso geringer ist die maximal zulässige Rotordrehzahl
Flugstil
bei einem Heli der 600er Klasse genügen für einfachen Schwebflug 1400 bis 1600 U/min, für knallharten 3D-Kunstflug benötigt man dagegen Drehzahlen jenseits der 2000 U/min
der Luftwiderstand der Rotorblätter steigt im Quadrat zur Drehzahl, der Energieverbrauch des Antriebs steigt somit überproportional und die maximale Flugzeit nimmt ab
Abfluggewicht
Für höhere Abfluggewichte benötigt man mehr Auftrieb - diesen realisiert man durch höhere Drehzahl und oder größere Blattanstellwinkel
Zu hohe Anstellwinkel können zu Strömungsabrissen am Rotorblatt führen, ist dies der Fall, dann hilft eine Erhöhung der Drehzahl im zulässigen Rahmen
Profil, Material und Qualität der Rotorblätter
Es gelten die Vorgaben des Herstellers bezüglich der maximal zulässigen Drehzahl
Guten Rotorblättern liegt entweder ein Beipackzettel bei, auf dem die maximal zulässige Rotordrehzahl angegeben ist, oder es finden sich Herstellerangaben zur maximal zulässigen Drehzahl auf der Hersteller-Homepage im Interbet.
Anzahl der Hauptrotorblätter
Bei gleicher Drehzahl erzeugt eine größere Anzahl Rotorblätter mehr Auftrieb - daher kann ein Mehrblatt-Rotorkopf im Vergleich zu einem Zweiblatt-Rotorkopf mit geringerer Drehzahl betrieben werden
