Die Lehre von der Aerodynamik

 

Die Aerodynamik beschreibt als wissenschaftliche Richtung die Gesetze von Luftströmungen. Dabei wird vor allem berechnet, wie sich die Strömung der Luft verändert, wenn sie auf ein Hindernis trifft. Die Menschen haben die Aerodynamik schon lange ausgenutzt, ohne sie aber genau berechnen zu können. So spielt sie zum Beispiel eine große Rolle, wenn ein Segelschiff angetrieben wird.

Wichtg für den Bau von Autos

Im Autobau wird die Aerodynamik verwendet, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten. Hier wird in einem Windkanal getestet, wo es bei der vorbeiströmenden Luft zu Verwirbelungen kommt. Diese Wirbel sind es, die eigentlich den so genannten Widerstand verursachen. Ein gerade in den Windkanal gehaltenes Blatt hat keinen Widerstand, sobald man es aber leicht schräg stellt, wird man sehen, dass sich die Luftströme an der Ober- und an der Unterseite unterschiedlich verhalten.

Kinder machen sich diese Eigenschaft bei Fliegen von Drachen zu nutze. Auch hier wird der recht flache Drache in den Wind gestellt, und je nachdem welchen Winkel er hat kann er aufsteigen, nach vorne fliegen oder aber still in der Luft stehen.

Luft sorgt für Auftrieb

Bei einem Flugzeug will man zum einen wenig Luftwiderstand haben, kann zum anderen aber auch nicht vollkommen darauf verzichten, weil das Gerät sonst nicht fliegen würde. Gleiches gilt bei einem Hubschrauber. Erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann man, sich mit den Naturgesetzen der Aerodynamik zu beschäftigen und begann zu verstehen, wie man diese Luftströmungen berechnen kann.

Im wesentlichen gibt es vier Kräfte, die auf ein fliegendes Objekt einwirken: Auftrieb, Gewicht, Vorschub und Zug. Der Auftrieb sorgt für das Aufsteigen, das Gewicht für das Sinken, der Vorschub für das nach vorne fliege und der Zug hält es zurück. Neben diesen Kräften spielt es aber auch noch eine Rolle, in welchem Zustand sich die Luft befindet:

  • Wie dicht ist die Luft?
  • Wie schnell strömt sie?
  • Wie warm oder kalt ist sie?
  • Welcher Luftdruck herrscht?

Gerade bei Fluggeräten sind diese Zustände wichtig: Je höher man fliegt, umso weniger dicht ist die Luft, was wiederum Auswirkungen auf den Auftrieb hat. Bei den meisten Flugzeugen spielt das eine Rolle bei Reiseflughöhen über 7km, bei Hubschraubern ist das eher selten der Fall. Sie brauchen dichte Luft und fliegen daher selten höher als 4000 Meter. Der Rekord liegt aber dennoch bei 8800 Meter und wird von einem Eurocopter gehalten der im Jahr 2005 auf dem Mount Everest landete.

Rotoren bei Hubschraubern

Der Rotor ist der wichtigste Teil eines Hubschraubers, weil er das Fluggerät überhaupt in der Luft hält. Er besteht aus zwei wesentlichen Elementen: Den Rotorblättern und und einer Mechanik, die diese steuert und einstellt.

In der einfachsten Version – und auch die am weitesten verbreitete – hat ein Hubschrauber vier Rotorblätter. Hinzu kommen noch zwei bis vier Rotorblätter am Heckrotor.

Um dem Hubschrauber Auftrieb geben zu können, die sind Hauptrotorblätter an einer senkrechten Stange befestigt, die sich – vom Motor angetrieben – dreht. Wie bei einem Ventilator entsteht durch das Drehen ein Luftsog, der schließlich den Hubschrauber nach oben hebt.

Rotoren kennt man schon aus frühen chinesischen Kulturen. In diesen hatte man aus Bambus, der an einer Stange befestigt war, ein Kinderspielzeug gebaut Durch das drehend es Bambusplättchens auf der Stange kam es zu einem Auftrieb und es flog weg. Das Spielzeug bildete auch ein Vorbild für erst westliche Rotormodell im 18. Jahrhundert.

Zwei oder mehr Rotorblätter

Die ersten Modelle von Hubschaubern funktionierten mit zwei Rotoblättern, die am Mast an einem so genannten Hub festgemacht wurden. Dieser ermöglichte erst die Einstellung der verschiedenen Winkel. Rotorblätter müssen sehr groß sein, um einen möglich großen Auftriieb zu erreichen. Die meisten Hubschrauber fliegen übriges mit einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit der Rotorblätter, Die eigentliche Geschwindigkeit des Hubschraubers wird vor allem über den Anstellwinkel erreicht.

Ein Problem beim Hubschrauber ist das Drehmoment: Sobald der Hauptrotor sich dreht, versucht der Hubschrauber selbst sich in die andere Richtung zu drehen. Das liegt an physikalischen Kräften und wird meisten durch den Heckrotor ausgeglichen. Dieser ist nicht horizontal sondern vertikal angebracht und steuert der Drehung entgegen. Die Rotorblätter können entweder frei liegen oder in einem Gehäuse untergebracht sein.

Nicht alle haben einen Heckrotor

Es gibt aber auch Sonderformen: So kann ein Hubschrauber aus zwei übereinanderliegenden Rotoren bestehen, die aber gegenläufig sind. Auch auf diese Weise kann die Drehung vermieden werden. Und ein amerikanischer Lasthubschrauber, der Piasecki H-21 Workhorse/Shawnee, hat vorne und hinten waagrechte Rotoren, die sowohl für viel Auftrieb sorgen als auch eine Drehung wirksam verhindern.

Ein Rotorblatt ist wie die Tragfläche eines Flugzeuges aerodynamisch geformt. Auch bei den Drehflüglern spielt der Luftwiderstand eine große Rolle, und die Form der Rotorblätter hat darauf einen Einfluß. Bei normaler Stellung wird lediglich ein Auftrieb erzeugt, sobald aber die Blätter leicht geneigt werden, strömt die Luft mehr seitlich und schafft dadurch einen Vorwärtsantrieb.

Bei einem Triebwerksausfall kann übrigens ein Hubschrauber immer noch fliegen, auch wenn es keinen Auftrieb nach oben mehr gibt. Der Pilot wird dann auf Autorotation umstellen und quasi in den Leerlauf schalten. Die umgebenden Luft triebt dann immer noch zu einem gewissen Maße die Rotorblätter an, die durch die Eigenrotation zumindest den Abtrieb senken. Man kann sich das vorstellen wie bei einem Ahornsamen-Blatt, das ebenfalls diese Autorotation ausnutzt und langsam nach unten segelt.

Unterschied Hubschrauber und Flugzeug

Der Hubschrauber und das Flugzeug unterscheiden sich in vielerlei Form: Ganz offensichtlich wird das schon wenn man beide nebeneinander stehen sieht. Der Hubschrauber hat einen Rotor, während das Flugzeug Tragflächen hat. Die meisten Hubschrauber sind auch eher kurz, während Flugzeuge eine sehr lange Form haben können. Auch spielt beim Flugzeug die Aerodynamik eine große Rolle, während beim Hubschrauber diese nur bei einigen Modellen wichtig ist, und auch da nicht so optimiert wir bei Flugzeugen.

Flugzeuge sind schneller

Ein weiterer Unterschied ist die Geschwindigkeit. Ein Hubschrauber ist wesentlich langsamer unterwegs. Ein Eurocopter X3 zum Beispiel kann eine Höchstgeschwindigkeit von 472 km/h erreichen, andere Militärhubschrauber schaffen es bis 500 km/h. Flugzeuge hingegen können die doppelte Geschwindigkeit erreichen. Selbst Passagierflugzeuge fliegen mit 800-900 km/h durch die Luft. Militärisch genutzte Düsenjets schaffen es sogar über die Grenze von Mach 1, also 1000 km/h pro Stunde.

Auch beim Fassungsvermögen unterscheiden sich die beiden Fluggeräte. Hubschrauber sind recht beschränkt was die Ladung betrifft, sowohl bei Gütern als auch bei Passagieren. Selbst bei Militärtransportern ist bei 16 Passagieren meistens Schluss, und Fracht muss oftmals angehängt werden, weil einfach nicht genug Platz im Inneren vorhanden ist. Beim Flugzeug hat der A380 hingegen bewiesen, dass man über 500 Passagiere an Bord bringen kann. Würde man alles mit der Eco-Klasse ausstatten, wären es sogar noch einige mehr.

Der größte Unterschied zwischen Flugzeug und Hubschrauber ist aber die Antriebsart. Die Flugzeuge brauchen einen Luftstrom unter den starren Tragflächen, der ihnen Auftrieb gibt. Der Hubschrauber erzeugt sich diesen Auftrieb selbst, indem er die Rotorblätter rotieren lässt.

Schweben des Hubschraubers

Eine der herausragenden Fähigkeiten eines Hubschraubers ist, in der Luft schweben zu können. Damit ist sein Einsatzgebiet weitaus größer als das eines Flugzeuges oder anderer Fluggeräte. Moderne selbstfliegende Drohnen die mit Rotoren ausgestattet sind, stellen technisch eigentlich auch nur eine Weiterentwicklung des Helikopters dar.

Die Schwebefähigkeit beim Hubschrauber kommt dadurch zustande, der er seinen Auftrieb selbst erzeugen kann. Wenn man nur den Hauptrotor betrachtet, so hebt er eigentlich einen Hubschrauber nur in die Luft, aber bringt ihn noch nicht vorwärts. Das erreicht man erst in dem der Anstellwinkel verändert wird. Mit dem Winkel wird dann Vorschub geschaffen und der Heckrotor verhindert dass sich der Hubschrauber um die eigene Achse dreht.

Schweben ist normaler Zustand

Das Schweben ist also die normale Form des Hubschraubers und wird in vielen Situationen ausgenutzt. So kommt das gerade bei Rettungsarbeiten immer wieder zum Einsatz, wenn zum Beispiel Retter abgeseilt werden müssen oder wenn man eine verletzte Person aus unwegsamen Gelände oder dem Meer fischen muss. Auch im Militäreinsatz gibt es diesen Vorteil, wenn Truppen schnell ausgeladen werde müssen, man aber aus Sicherheitsgründen den Hubschrauber nicht komplett landen will. Und schließlich kommt es auch bei Beobachtungsflügen zum EInsatz.