Hubschrauber

Ein Hubschrauber (vor allem in der Schweiz auch: Helikopter, abgekürzt: Heli, zu griech. hélix, Gen. hélikos „Windung, Spirale“ und pterón „Flügel“; engl. helicopter) ist ein Flugzeug und Luftfahrzeug, das durch einen oder mehrere motorisch angetriebene Drehflügel Auftrieb und Vortrieb erhält.

Die Drehflügel, Rotoren genannt, wirken wie drehende Tragflächen, daher gehören Hubschrauber auch zu den Drehflügelflugzeugen, im Unterschied zu den Starrflügelflugzeugen. Sie sind weiterhin Senkrechtstarter, können also vertikal starten und landen. Nicht zu Hubschraubern werden gerechnet: Tragschrauber, Hybrid- und VTOL-Flugzeuge. 1993-07_Dänemark_Seaking.jpg Seaking der Dänischen Marine.]]

Funktion

Bo105 Rotorkopf 0570b.jpg einer Bo 105.]] Die rotierenden Rotorblätter erzeugen gegenüber der anströmenden Luft einen dynamischen Auftrieb. Wie bei den starren Tragflächen eines Flugzeugs ist dieser abhängig von ihrem Profil und dem Anstellwinkel. Beim schwebenden Hubschrauber entspricht die Anströmgeschwindigkeit der Umlaufgeschwindigkeit. Wenn er sich fortbewegt, addieren sich die beiden Geschwindigkeiten beim nach vorne laufenden Blatt und subtrahieren sich beim zurückdrehenden Blatt; siehe Skizze unter Flugleistungen.

Eine an allen Blättern gleichzeitig wirkende kollektive Blattverstellung verändert den Auftrieb und verursacht damit ein Steigen oder Sinken. Durch Ziehen oder Drücken des kollektiven Verstellhebels wird der untere, feststehende Teil der Taumelscheibe im Rotorkopf nach oben bzw. nach unten verschoben. Deren oberer, mit dem Rotor mitlaufender Teil verdreht über Stoßstangen und an den Blattwurzeln angebrachte Hebel die Rotorblätter und verändert damit deren Einstellwinkel.

Die zyklische Blattverstellung wiederum dient zur Steuerung der Lateralbewegung mit Hilfe des Hauptrotors, das heißt zum Einleiten oder Beenden von Vorwärts-, Seitwärts- oder Rückwärtsflug. Hierbei wird die Blatteinstellung während des Umlaufs um die Rotorachse (zyklisch) verändert, indem die Taumelscheibe geneigt wird. Zum Vorwärtsflug wird dadurch der Einstellwinkel der Blätter abhängig vom Drehwinkel so geändert, dass sich die Rotorebene nach vorne neigt, der Luftstrom nach hinten gerichtet wird, und so ein Schub nach vorne entsteht.

Durch die Aerodynamik des Rotorblatts entstehen beim Flug asymmetrische Kräfte auf die vor- und rücklaufenden Blätter, die durch Schlag- und Schwenkgelenke am Rotorkopf aufgefangen werden müssen. Neuere Konstruktionen kommen ohne diese Gelenke aus, indem Rotorkopf und -blätter aus besonderen Materialien konstruiert sind. Diese können die in Größe und Richtung sich ständig ändernden dynamischen Kräfte aufnehmen, ohne Ermüdungsbrüche zu entwickeln. Ein solcher gelenkloser Rotorkopf wurde erstmals bei der Bo 105 durch Blätter aus GFK und einen massiven Rotorkopf aus Titan realisiert. Beim EC 135 wurde dieser zum lagerlosen Rotorkopf weiter entwickelt, der bei den meisten aktuellen Modellen eingesetzt wird.

Giermomentausgleich

Heli.fenestron.750pix.jpg an einem Eurocopter.]] Mit Ausnahme des Blattspitzenantriebs wird der Rotor stets durch einen Antrieb im Rumpf in Drehung versetzt. Somit entsteht an der Rotorachse ein Drehmoment (Giermoment), das eine entgegengesetzte Drehung des Rumpfes bewirkt. Um dies zu vermeiden, gibt es mehrere Möglichkeiten:

Erzeugung eines seitlichen Gegenschubs durch einen Heckrotor, auch gekapselt als Fenestron oder durch Schubdüsen wie beim NOTAR System.
Zwei gegenläufige Hauptrotoren, deren Giermomente sich ausgleichen – durch Anordnung übereinander auf der selben Achse (Koaxialrotor), oder auch hintereinander (Tandem-Konfiguration), oder nebeneinander. Eine Sonderform der letzteren sind in einander greifende Rotoren mit nahe zusammen liegenden, schräg gestellten Drehachsen (Flettner-Doppelrotor).
Verwendung von vier Rotoren (Quadrocopter), die allein durch Verstellung von Pitch oder Drehzahl eine Steuerung um alle drei Achsen ermöglichen.

Mag ein System mit zwei Rotoren auf den ersten Blick als effizientere Konstruktion erscheinen, so hat sich in der Praxis aber weitgehend das Einrotorsystem mit Heckrotor durchgesetzt. Ursachen sind die niedrigeren Bau- und Wartungskosten bei nur je einem Rotorkopf und Getriebe, den aufwändigsten und empfindlichsten Baugruppen eines Hubschraubers. Hinzu kommt die nicht aussteuerbare Unsymmetrie des Auftriebs bei Ausfall eines der beiden Rotorantriebe.

fkmax.jpg K-Max mit Flettner-Doppelrotor.]] Heckrotoren gibt es in Ausführungen mit zwei bis fünf Blättern. Um den Lärm zu verringern, werden teils vierblättrige Rotoren in X-Form eingesetzt. Eine besonders leise Variante ist der Fenestron, ein ummantelter Propeller im Heckausleger mit bis zu 18 Blättern.

Meist wird der Heckrotor aus dem Hauptgetriebe über Wellen und Umlenkgetriebe angetrieben und seine Drehzahl ist proportional zu der des Hauptrotors. Der Schub zur Steuerung um die Gierachse wird dann mit den Pedalen über den Einstellwinkel der Heckrotorblätter geregelt, nach dem gleichen Prinzip wie die kollektive Verstellung des Hauptrotors.

Während des Vorwärtsflugs wird bei vielen Hubschraubern der Heckrotor entlastet, indem die Anströmung des Seitenleitwerks das Giermoment weitgehend kompensiert. Dies ist vielfach durch Endscheiben an der horizontalen Dämpfungsfläche realisiert, die zur Rumpflängsachse schräg gestellt sind, bei einer einzelnen Seitenflosse in der Regel zusätzlich durch ein unsymmetrisches Profil.

Sollte der Antrieb ausfallen, können Hubschrauber trotzdem noch landen. Sie gehen dann in einen Sinkflug über, wobei der freilaufende Rotor durch die nun in umgekehrter Richtung, von unten nach oben strömende Luft in Drehung gehalten wird – eine Autorotation wie beim Autogiro. Ein Giermomentausgleich ist dabei nicht notwendig; eine solche Landung ist daher auch beim Ausfall des Heckrotors möglich, zum Beispiel bei Bruch der Antriebswelle, des Winkelgetriebes oder des ganzen Heckauslegers. Kurz vor dem Aufsetzen wird nun der kollektive Einstellwinkel (Pitch) vergrößert und damit der Auftrieb erhöht, um mit der begrenzten kinetischen Energie des Rotors einmalig möglichst weich aufzusetzen. Der Verlust der Steuerung um die Hochachse und die Notwendigkeit, den richtigen Moment genau zu treffen, macht dieses Manöver jedoch stets riskant.

Flugleistungen

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Hubschrauber erreichen prinzipiell nicht die Flugleistungen von Starrflügelflugzeugen:

Die Höchstgeschwindigkeit liegt meist zwischen 200 und 300 km/h, einige Kampfhubschrauber erreichen 340 km/h. Der Geschwindigkeits-Rekord liegt bei 400,87 km/h und wurde am 11. August 1986 mit einem Westland Lynx erzielt.

Die Höchstgeschwindigkeit wird dabei durch die Aerodynamik der Rotorblätter begrenzt: Das jeweils nach vorne laufende Blatt hat gegenüber der von vorn anströmenden Luft eine höhere Geschwindigkeit als das nach hinten laufende. Nähert sich nun das vorlaufende Blatt im Außenbereich der Schallgeschwindigkeit, kommt es dort zu Effekten wie Abfall des Auftriebs, starke Erhöhung des Widerstands und große Blattbeanspruchung durch Torsionsmomente. Für den Piloten äußert sich dies zum Beispiel in starken Schwingungen, die die Kontrolle des Hubschraubers erschweren.

Meist wird die Geschwindigkeit eines Hubschraubers jedoch durch das rücklaufende Rotorblatt begrenzt: Hier führt die Kombination aus hohem Anstellwinkel (zyklische Verstellung, s.o.) und geringerer Strömungsgeschwindigkeit beim Rücklauf zum Strömungsabriss und damit Auftriebsverlust. Viele Hubschrauber kippen daher zuerst in Richtung zum rücklaufenden Rotorblatt, bevor das vorlaufende Blatt in den Überschallbereich gelangt.

Auch die Gipfelhöhe ist begrenzt und liegt normalerweise bei 5.000 Metern, wobei einzelne Modelle bis zu 9.000 Meter erreichen. Der Höhenrekord von 13.716 m (45.000 ft) wurde im Mai 2005 von Didier Delsalle mit einem darauf optimierten Eurocopter AS 350 aufgestellt.

Der Kraftstoffverbrauch eines Hubschraubers liegt bei gleicher Zuladung im allgemeinen deutlich über dem eines Tragflächen-Flugzeugs.

Der Vorteil eines Hubschraubers aber liegt in der Fähigkeit, in der Luft stehen zu bleiben (Schwebeflug, auch Hover genannt), rückwärts oder seitwärts zu fliegen, sowie sich im langsamen Flug um die Hochachse (Gierachse) zu drehen. Weiterhin kann er senkrecht starten und landen (VTOL) und benötigt daher keine Start- oder Landebahn. Neben einem Hubschrauberlandeplatz reicht dazu bereits ein ebener Platz von ausreichendem Durchmesser.

Entwicklungsgeschichte

Sikorsky_vs-300.jpg in seinem VS-300 von 1941.]]

Schon Leonardo da Vinci hatte Ende des 15. Jahrhunderts Skizzen eines Hubschraubers angefertigt, aber erst im 20. Jahrhundert gelang die technische Umsetzung dieser Idee. Pioniere der Hubschrauberentwicklung waren u.a. Étienne Oehmichen, Juan de la Cierva, Louis Bréguet, Henrich Focke und Igor Sikorski:

Am 11. November 1922 brachte Étienne Oehmichen erstmals seine Oehmichen No.2 in die Luft, den wohl ersten zuverlässig fliegenden, manntragenden Senkrechtstarter.

Bei der Entwicklung seines Autogiro gelangen Juan de la Cierva 1923 wesentliche Lösungen zur Stabilisierung des Rotors eines Drehflüglers, so z.B die Schlaggelenke.

In den frühen 30er Jahren bauten Louis Bréguet und René Dorand mit dem Gyroplane-Laboratoire den ersten, längere Zeit stabil fliegenden Hubschrauber. Er hatte Koaxialrotoren und hielt ab Juni 1935 alle internationalen Rekorde für Hubschrauber.

Die Focke-Wulf Fw 61, die zwei seitlich angeordnete Rotoren benutzte, startete erstmalig am 26. Juni 1936 und übernahm 1937 die Spitzenposition; es wurden aber nur zwei Exemplare gebaut.

Der erste in Serie gebaute Hubschrauber war 1941 die deutsche Focke-Achgelis Fa 223. Es folgten 1943 die Flettner Fl 282, ebenfalls mit Doppelrotor, und 1944 die Sikorsky R-4 'Hoverfly' in den USA, die wie ihr Vorgänger Sikorsky VS-300 einen Einzelrotor zusammen mit einem Heckrotor verwendete.

1955 rüstete die französische Firma Sud Aviation ihren Hubschrauber Alouette II mit einer 250 kW-Turboméca-Artouste-Wellenturbine aus und baute damit den ersten Hubschrauber mit Gasturbinenantrieb, der heute von allen kommerziellen Herstellern verwendet wird (Ausnahme: Robinson Helicopter).

Ein weiterer technischer Meilenstein war die deutsche Bölkow Bo 105, die 1961 als erster Hubschrauber einen gelenklosen Rotorkopf zusammen mit GFK-Rotorblättern einsetzte (die erstmals bei der Kamow Ka-26 zum Einsatz gekommen waren). Die Eurocopter EC 135 als aktueller Nachfolger benutzt diese Bauweise in weiterentwickelter Form.

Mil_Mi-12.jpg | 1968 startete mit der sowjetischen Mil Mi-12 der größte jemals gebaute Hubschrauber. Er verfügt über nebeneinander angeordnete Rotoren und über ein Startgewicht von 105 t, bei einer Nutzlast von 40 t.

1977 fand der Jungfernflug des größten in Serie gebauten Helikopters, der Mil Mi-26 statt.

Ab 1983 entstand mit der RAH-66 Comanche ein Kampfhubschrauber mit Tarnkappentechnik, dessen Fertigung jedoch kurz vor Erreichen der Einsatzreife 2004 gestoppt wurde.

Im Jahr 2000 wurde der kommerziell bisher erfolgreichste Helikopter Robinson R44 vorgestellt.

Im November 2003 flog erstmals die Boeing X-50, deren Rotor beim Vorwärtsflug angehalten und festgestellt wird und dann als zusätzliche Tragfläche dient. Wie bei anderen VTOL-Konzepten sollen damit gegenüber reinen Drehflüglern bessere Flugleistungen erreicht werden.

Steuerung

Hubschrauber-Steuerknueppel 01 KMJ.jpg

Ein Hubschrauber ist ein nicht eigenstabiles Luftfahrzeug – er hat vor allem im Schwebeflug und langsamen Flug stets die Tendenz, seine Fluglage zu verlassen und in die eine oder andere Richtung zu schieben, sich zu neigen oder zu drehen. Dies ist u. a. darin begründet, dass der Neutralpunkt über dem Rumpf und damit über dem Schwerpunkt liegt. Der Pilot muss diese Bewegungen durch kontinuierliche, entgegen wirkende Steuereingaben abfangen. Oberhalb von ca. 100 km/h verhält sich ein Hubschrauber ähnlich wie ein Tragflächenflugzeug und ist entsprechend einfach zu steuern.

Zur Steuerung des Hubschraubers benötigt der Pilot – anders als im Starrflügel-Flugzeug üblicherweise rechts sitzend – beide Hände und Füße. Mit der linken Hand kontrolliert er über einen Hebel die kollektive Blattverstellung (engl. Pitch) und damit den Auftrieb. Um beim Aufstieg den Abfall der Rotordrehzahl zu verhindern, wird auch die Motorleistung und damit das erzeugte Drehmoment erhöht, manuell, mit einem Drehgriff an diesem Hebel, oder automatisch. Mit der rechten Hand kontrolliert der Pilot über den Steuerknüppel die zyklische Blattverstellung, das heißt die Neigung der Taumelscheibe und damit die Bewegung um Längs- und Querachse.

Am Boden finden sich zwei Fußpedale, mit denen der Heckrotor und damit die Bewegung um die Gierachse, also die Rechts-Links-Drehung gesteuert wird.

Unfälle

Apache-crash99.jpg Apache der US Army, abgestürzt 1999 in Albanien.]] Verglichen mit Flächenflugzeugen weisen Hubschrauber eine deutlich höhere Unfallhäufigkeit auf: Zwischen 1980 und 1998 verzeichnete die Bundesstelle für Flugunfalluntersuchung (BFU) bei Hubschraubern statistisch pro einer Million Abflüge 54 Unfälle mit sechs Toten, bei Flächenflugzeugen lediglich zehn Unfälle mit 1,6 Toten. Die Unfallsursachen liegen dabei anteilig häufiger im menschlichen Versagen (über 80 %).

Aus Sicht der Technik sind Hubschrauber nicht unsicherer als Flächenflugzeuge und werden unter den gleichen Zuverlässigkeitsforderungen ausgelegt und zugelassen. Die höhere Unfallgefahr kann mehr durch die Einsatzbedingungen erklärt werden: Rettungsdienste und Militär können einen Einsatzort nicht vorher bestimmen, Hindernisse wie Antennen oder Stromleitungen sind dem Piloten dann nicht bekannt. Einsätze im Hochgebirge, wie Lastentransport und Bergrettung, können wiederum durch die geringere Luftdichte und Abwinde den Antrieb an die Leistungsgrenze bringen. Bei seinem Ausfall sind wiederum die Bedingungen für eine Autorotations-Landung häufig schlecht.

Bekannt wurde zuletzt der Unfall eines CH-53GS am 21. Dezember 2002, bei dem sieben deutsche Soldaten in Afghanistan ums Leben kamen, als sie nach einem Erkundungsflug nahe dem Flughafen Kabul abstürzten. Ursache war ein Antriebsschaden, wodurch Teile der Flugsteuerung beschädigt wurden. Es handelte sich um das bis dahin schwerste Unglück bei Auslandseinsätzen der Bundeswehr.

Einsatzarten

Der Betrieb eines modernen Hubschraubers ist im Vergleich zu einem Flächenflugzeug mit vergleichbarer Zuladung deutlich teurer. Dennoch ergeben sich aufgrund seiner Fähigkeit, auf unvorbereitetem Gelände starten und landen zu können, eine Reihe von zusätzlichen Einsatzgebieten, unterscheidbar in zivile und militärische.

Zivile Verwendung

BK 117 Rescue.jpg

Die häufigste Verwendung in Mitteleuropa ist der Bereich Luftrettung mit dem Rettungshubschrauber, wovon es allein in Deutschland über 50 Stützpunkte gibt. Weitere Spezialisierungen stellen Intensivtransporthubschrauber, Großraum-Rettungshubschrauber, Notarzteinsatzhubschrauber und Bergrettungsdienst dar. Auch bei der Polizei und bei der Feuerwehr sind Hubschrauber zu einem wichtigen unterstützendem Faktor geworden. Der Einsatz von Transporthubschraubern stellt, etwa bei Bohrinseln, ein wichtiges Element der Logistik dar. Im Hochgebirge ist der Transport von Baumaterial und Bauteilen mangels geeigneter Landwege oft wichtig für die Errichtung von alpinen Einrichtungen. In nicht mechanisierbaren steilen Weinbergen wird der Pflanzenschutz zum Teil mit Hubschraubern durchgeführt.

Modellhubschrauber bekommen zunehmend Bedeutung, da sich die Technik stetig entwickelt hat und der Pilot sein Hobby auch in Innenräumen ausüben kann.

Militärische Verwendung

AH-1 Cobra.jpg.]] Typische militärische Einsatzgebiete sind die Panzerabwehr durch spezialisierte Kampfhubschrauber, wie den Eurocopter Tiger, den Hughes AH-64 oder den Mil Mi-24, weiter die Artilleriebeobachtung, CSAR (Combat Search and Rescue, dt. Suchen/Retten im Gefecht) die Luftabwehr und Einsätze innerhalb der Marine zur U-Jagd, Seeaufklärung und Seerettung (SAR – Search and Rescue).

Um Kosten zu reduzieren, werden weiterhin Mehrzweckhubschrauber eingesetzt, die neben dem Truppentransport auch für Außenlasten oder die bewaffnete Infanterieunterstützung umrüstbar sind, so der Sikorsky UH-60. Weitere Einsatzgebiete sind die elektronische Kriegführung durch Störung von feindlichen Funksignalen oder VIP-Transporte.

Hubschraubertechnik

Weitere Details zu Bauweise und Technik von Hubschraubern finden sich in diesen Artikeln:

Varianten der Bauweise zum Drehmomentausgleich: Heckrotor-Konfiguration – Tandem-Konfiguration – Koaxialrotor – Flettner-Doppelrotor – Blattspitzenantrieb

Verwandte Flugzeug-Bauweisen: Tragschrauber – Flugschrauber – Wandelflugzeug – Senkrechtstarter – VTOL

Rotor: Rotorkopf – Taumelscheibe – Schlaggelenk – Schwenkgelenk – Rotorblatt

Auftrieb und Vortrieb: Schwebeflug – Vorwärtsflug

Landevorrichtung
Hubschraubertriebwerk

Wichtige Hubschrauberhersteller

flama.jpg Alouette II (SA 315B-Lama BJ 1969) als Kamerahubschrauber.]] Seaking German-Marines GNU-FDL.jpg Seaking der Deutschen Marine.]]

Europa
- Eurocopter Group – EADS

Siehe auch

Literatur

Helikopter Hysterie Zwo, Heinrich Dubel, ISBN 3929010771
Technik und Geschichte der Hubschrauber, Rolf Besser, ISBN 3763759654
Helicopters of the Third Reich, Steve Coates and Jean-Christophe Carbonel, ISBN 1903223245
Hubschrauber und Tragschrauber, Kyrill von Gersdorf und Kurt Knobling, ISBN 3763752730

Weblinks