Winkelvorlauf am Rotorkopf des Modellhelis
Der Winkelvorlauf
...an der Helikopter-Taumelscheibe
Was bedeutet der Begriff Winkelvorlauf am RC Hubschrauber?
Allen, die sich schon etwas mit dem Thema Pitchwinkel befasst haben, sollte aufgefallen sein, dass der zyklische Pitchwinkel für Nick am zur Seite zeigenden Rotorblatt eingestellt wird und der zyklische Pitchwinkel für Roll am nach vorn zeigenden Rotorblatt. Doch das wiederspricht eigentlich der Logik.Der Winkelvorlauf bei den allermeisten Helikoptern beträgt 90°. Die wirksame Kraft an der Rotorwelle wirkt erst 90° (eine viertel Rotorkopfumdrehung) später. Dieses Phänomen nennt man Winkelvorlauf. Das erklären die Einen mit Trägheit des Rotorblattes und die Anderen erklären das mit der sogenannten Kreiselpräzession. Wirkt nämlich an einem sich drehenden Kreisel eine Kraft, dann reagiert der Kreisel erst 90° versetzt. Das nennt man Kreiselpräzession und dazu findet man viele Beschreibungen im Internet.
Was hat der Winkelvorlauf mit der Kreiselpräzession zu tun
Die Kreiselpräzession ist allgemein die Richtungsänderung der Achse eines rotierenden Körpers (Kreisel), wenn äußere Kräfte auf ihn einwirken. Allgemein wird versucht mit der Präzession auch das "Phänomen" des Winkelvorlaufes der Rotorblattansteuerung zu erklären.
Der Winkelvorlauf hat tatsächlich Relevanz am Modellhelikopter.
Der Winkelvorlauf verständlich erklärt
...hier am Bsp. der Steuerbewegung Roll nach rechts.Alle hier folgenden Erklärungen und Darstellungen beziehen sich nur auf die Rollbewegung des Helikopters nach rechts!
Sinngemäß gilt für die anderen Bewegungen (Roll links, Nick nach vorn und Nick nach hinten) das gleiche, nur eben mit geänderten Kraftrichtungen.
Nimm doch mal Deinen Helikopter, stelle die Rotorblätter quer, drücke das rechte Blatt nach unten und ziehe das linke Blatt nach oben, aber kräftig! Genau das passiert am Helikopter während des Fluges, wenn eine Rollbewegung erfolgt. Doch nun zum eigentlichen Geschehen.
Unser Rotor dreht sich rechts herum. Wir drücken den Rollhebel nach rechts. Die Taumelscheibe kippt nach rechts.
Wir betrachten uns nun die Abläufe an den Rotorblättern rund um den zyklischen Pitchwinkel etwas genauer. Kollektivpitch vernachlässigen wir einfach. (siehe Bild).
03:00 zyklischer Blattwinkel = 0°
06:00 zyklischer Blattwinkel = -8°
09:00 zyklischer Blattwinkel = 0
12:00 zyklischer Blattwinkel = +8°
Die Rotorblätter haben eine Eigenmasse und rotieren mit hoher Drehzahl und Geschwindigkeit. (Eine Drehzahl von 2000 U/min entspricht etwa 33 U/Sekunde)
Bei 09:00 ist der Blattwinkel gleich 0°.
Ab 09:00 nimmt der zyklische Blattwinkel einen positiven Wert ein, bis er bei 12:00 den höchsten Wert von +8° erreicht hat.
durch den positiven Anstellwinkel bekommt das Blatt Auftrieb und erfährt dadurch eine Beschleunigung nach oben. Die größte aerodynamische Kraft in positiver (aufwärts) Richtung wirkt auf das Blatt bei 12:00.
Nach 12:00 nimmt der positive zyklische Anstellwinkel zwar wieder ab, ist aber nach wie vor noch positiv. Demzufolge wirken immer noch aerodynamische Kräfte, die das Blatt nach oben drücken, und zwar bis 03:00.
Bei 03:00 ist der zyklische Blattwinkel wieder bei 0°. In diesem Moment erzeugt das Blatt keinen Aerodynamischen Auftrieb mehr! Nach 03:00 verändert sich der zyklische Anstellwinkel in den negativen Bereich hinein. Die am Blatt wirkenden aerodynamischen Kräfte bewirken nun eine Beschleunigung des Blattes (Masse) in negativer Richtung, also nach unten.
Bei 06:00 ist der zyklische Blattwinkel bei minus 8°. An diesem Punkt erzeugt das Blatt den größten negativen Auftrieb (nach unten). Von 03:00 und 09:00 wird das Blatt nach unten beschleunigt.
Von 06:00 bis 09:00 verringert sich der negative zyklische Blattwinkel zwar wieder bis auf 0°. Bis kurz vor 09:00 wirken jedoch noch aerodynamische Kräfte nach unten auf das Blatt.
Bei 09:00 ist der zyklische Anstellwinkel wieder bei 0°.
...und die nächste Umdrehung beginnt.
Kräfte müssen in bestimmter Richtung wirken, um eine Bewegung am Helikopter zu bewirken. Diese Kräfte werden beim Heli mit Hilfe der Rotorblätter erzeugt.
Um den Winkelvorlauf zu erklären, müssen wir den Anstellwinkel des einzelnen Rotorblattes während eines gesamten Rotorblatt- Umlaufs betrachten.
Über die Rotorwelle werden die am Rotorkreis (durch die Rotorblätter erzeugten) anstehenden Kräfte auf den Helikopter übertragen.
Um eine Rollbewegung nach rechts auszulösen, muss auf der rechten Seite des Helikopters eine Kraft nach unten wirken und auf der linken Seite eine Kraft nach oben. Dann macht der Helikopter eine Rollbewegung nach rechts.
Diese Kräfte haben erst einmal nicht viel mit dem Blattanstellwinkel zu tun. Sie sind aber ein Effekt der aerodynamischen Kräfte am Rotorblatt, die durch den zyklischen Anstellwinkel des Blattes hervorgerufen werden.
Hätten die Rotorblätter keine eigene Masse, würde das nicht funktionieren. Denn der Rotorkreis stellt ein schnell rotierendes System, ähnlich einem Kreisel dar.
Während des Fluges werden zyklisches und kollektives Pitch addiert.
