Die Technik des Rotorflugzeugs



Wie funktioniert ein Rotorflugzeug?

Ein Rotorflugzeug besitzt zur Erzeugung des Auftriebs einen Magnus-Rotor, der extra angetrieben werden muss. Je schneller der Rotor dreht, um so größer ist auch der Auftrieb durch den Magnus Effekt. Um den Auftrieb zum Beispiel für den Kurvenflug zu vergrößern muss also die Drehzahl des Rotors erhöht werden. Dies ist ein großer Unterschied zu normalen Flächenflugzeugen, bei welchen der Auftrieb einfach durch einen Höhenruderausschlag verändert werden kann. Bei Rotorflugzeugen hat ein Höhenruder allerdings nur eine geringe Wirkung, ähnlich einer Schubvektorsteuerung.

Solange der Magnus-Rotor dreht, und solange dieser angeströmt wird, entsteht Auftrieb durch den Magnus Effekt. Charakteristisch ist dabei das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit u des Rotors und der Anströmgeschwindigkeit V. Je nach Größe dieses Verhältnisses u/V ändert sich die Aerodynamik des Rotors und somit auch die charakterisitischen Beiwerte.

In der nebenstehenden Abbildung  ist ein rotierender Zylinder in der Seitenansicht dargestellt, der sich im Uhrzeigersinn mit der Umfangsgeschwindigkeit u dreht. Zugleich wird er von links mit der Geschwindigkeit V angeströmt. Hinter dem Rotor bildet sich ein Wirbelsystem aus, das für den Magnus Effekt typisch ist, und das  Kármánsche Wirbelstrasse genannt wird (hier dargestellt für u/V = 2). Man kann gut erkennen, dass die Luft, die horizontal auf den Rotor trifft, hinter dem Rotor nach unten abgelenkt wird, ähnlich wie bei einer Tragfläche. Der Auftrieb des Rotors muss während des Fluges, z.B. bei Schnell- oder Langsamflug, durch Änderung der Rotordrehzahl angepasst werden. Die Drehrichtung bleibt jedoch gleich, sonst würde der Rotor Abtrieb statt Auftrieb erzeugen.


Wie kann man den Auftrieb durch den Magnus Effekt berechnen? 

Zur Berechnung der Auftriebskraft L, die durch den Magnus Effekt erzeugt wird, kann eine einfache Formel verwendet werden: 

Der Auftriebsbeiwert CL hängt von vielen Parametern ab, wie z.B. Streckung des Rotors und Endscheibengröße. Er kann nicht einfach durch eine Formel berechnet werden. Hier muss man auf Daten zurückgreifen, die zum Beispiel in Windkanalversuchen ermittelt wurden. 

Dabei sollte man darauf achten, dass die Geometrie (Streckung, Endscheibengröße, Durchmesser) des eigenen Rotors möglichst mit den Versuchsparametern übereinstimmt.

Nun muss noch das Geschwindigkeits- verhältnis u/V bestimmt werden, für welches der Auftriebsbeiwert CL gesucht wird. Für Start und Landung wird am besten ein großer Wert für u/V gewählt, z.B. u/V = 4. Für den schnellen Vorwärtsflug ist zum Beispiel u/V = 1,5 geeignet. Aus der Umfangsgeschwindigkeit u kann abhängig vom Rotordurchmesser die Drehzahl des Rotors errechnet werden, die benötigt wird, um bei einer gewissen Fluggeschwindigkeit das gewünschte u/V einzustellen. Die Drehzahl kann dabei relativ große Werte von mehreren tausend Umdrehungen pro Minute annehmen. Der Antriebsmotor und die Antriebsleistung muss dementsprechend dimensioniert sein. 


Welchen Einfluss haben Scheiben an einem Rotor? 

Ein Rotor mit Endscheiben wird als Flettner-Rotor bezeichnet. Ein Rotor mit mehreren Scheiben, verteilt über die gesamte Länge des Rotor, wird Thom-Rotor genannt. In beiden Fällen haben die Scheiben einen großen Einfluss auf die Aerodynamik [34]:

1. Die radiale Strömungskomponente an den Scheiben führt zu einer lokalen Reduktion der Grenzschichtdicke, ähnlich einer Absaugung.

2.  Die Strömung zwischen den Scheiben wird in Strömungsrichtung verstärkt. Dies führt zu einer geänderten Topologie der Wirbel, die ähnlich einer Reduktion des Geschwindigkeitsverhältnisses u/V ist.

3. Durch Erhöhung der Anzahl der Scheiben werden zusätzliche Wirbel durch Ablösung erzeugt, die zu einer Reduktion der Randwirbelstärke führen.

Bei geschickter Wahl der Größe und Position der Scheiben kann der Auftrieb gesteigert und der Luftwiderstand gleichzeitig reduziert werden.


Wie funktioniert der Hybride Rotor? 

Ein Flettner- Rotor alleine kann entweder Vortrieb (Rotorschiff) oder Auftrieb (Rotorflugzeug), aber nicht Beides zugleich erzeugen. Deswegen entstand die Idee des Hybriden Rotors, der eine vorteilhafte Kombination aus zwei bisher schon bekannten Rotorsystemen, dem Zykloidalpropeller und dem Flettner-Rotor bildet. In der Anwendung bei Luftfahrzeugen sorgt der Zykloidalpropeller beim Hybriden Rotor für Vortrieb und Steuerbarkeit, der Flettnerrotor liefert den Auftrieb. Durch entsprechende Schubvektorsteuerung in die Vertikale stellt er in der Anwendung bei senkrechtstartfähigen Fluggeräten auch eine Alternative zum Hubschrauberrotor oder Schwenkrotor dar. In der nebenstehenden Animation kann man die zyklische Blattverstellung eines Zykloidalpropellers erkennen.  Während eines Umlaufs (hier im Uhrzeigersinn) wird das Propellerblatt also  einmal bis zum positiven Maximalausschlag ausgelenkt, und einmal bis zum negativen Maximalausschlag. Der Zykloidalpropeller würde in diesem dargestellten Fall eine Schubkraft nach links erzeugen.

 

 

Die nebenstehende Darstellung zeigt eine Numerische 2D Analyse der Aerodynamik eines Hybriden Rotors zum Nachweis der prinzipiellen Funktionsfähigkeit. Es ist die Druckverteilung an einem Hybriden Rotor zu sehen. Die Farben grün und blau bedeuten einen geringeren Luftdruck als in der Umgebung (gelb) und die Farbe rot einen höheren Luftdruck. Die große weiße Scheibe in der Mitte zeigt den Zylinder in Rotation (Uhrzeigersinn). Die sechs Propellerblätter drehen sich ebenfalls im Uhrzeigersinn, und werden währenddessen um +/- 30° in ihrem Einstellwinkel verstellt. Die Anströmung erfolgt horizontal von links. Zusätzlich sind Stromlinien eingezeichnet, die die Umströmung der Zylinderoberseite verdeutlichen. Der Magnus Effekt ist sehr ausgeprägt, was sich anhand der weit unten liegenden Staupunkte zeigt.