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Bodeneffekt und Übergansauftrieb

Wenn der Hubschrauber nur knapp über dem Boden schwebt, staut sich die Luft, die durch den Hauptrotor nach unten gedrückt wird, dort zu einer Art Luftpolster. Dieses Polster nennen wir Bodeneffekt oder ground effect (s. Grafik, linkes Bild).

Zum Schweben im Bodeneffekt benötigen wir weniger Leistung, als wenn wir keinen Bodeneffekt haben. Gleichzeitig aber hat der Hubschrauber die Tendenz, ständig nach irgendeiner Seite vom Luftpolster "abzurutschen". Der Pilot muss immer wieder am Steuerknüppel korrigieren.

Luftstrom durch den Rotor beim Bodeneffekt und beim Vorwärtsflug

Je höher der Hubschrauber steigt, desto weniger macht sich der Bodeneffekt bemerkbar. Ab einer Höhe von etwa der Hälfte des Rotordurchmessers ist er komplett verschwunden. Ebenso wird bei Windgeschwindigkeiten von mehr als ca. 5 Knoten das Luftpolster regelrecht weggeblasen, wir spüren keinen Bodeneffekt mehr.

Jetzt gehts aufwärts

Um den Hubschrauber aus dem Schwebeflug in einen Vorwärtsflug zu bringen, neigen wir die Rotorebene nach vorne. Während wir Fahrt aufnehmen, geht zunächst der Bodeneffekt verloren. Wird keine zusätzliche Leistung zugeführt, sinkt der Hubschrauber etwas, weil der Leistungsbedarf ohne Bodeneffekt ja größer ist. Aber das dauert nicht lange an. Bei etwa einem Duzend Knoten - das variiert je nach Hubschraubermuster – zeigt der Hubschrauber plötzlich Unruhe um alle Achsen, was mit einer deutlichen Änderung im Strömungsbild des Rotorstrahls zusammenhängt. Mit einem einfachen Rasierpinsel lässt sich anschaulich zeigen, was passiert:

Mit Beginn der Vorwärtsbewegung "stolpert" der Rotorstrahl über den vorderen Wirbel am Boden, bevor er dann nach hinten unter dem Hubschrauber durchfließt. Das ist der Augenblick, in dem der so genannte Übergangsauftrieb (translational lift, s. Grafik oben, rechtes Bild) einsetzt. Der Hubschrauber richtet sich auf und beginnt merklich zu steigen. Gleichzeitig setzt eine Rollbewegung nach links (bei einem Hubschrauber mit linksdrehendem Hauptrotor) ein. Weil nicht nur der Hauptrotor in den Übergangsauftrieb kommt, sondern auch der Heckrotor, gibt es auch dort einen Leistungsüberschuss. Er äußert sich (wieder bei linksrehendem Hauptrotor) in einer Gier nach links und einer Drift nach rechts. Das kann durch eine Korrektur der Heckrotoreinstellung (rechtes Pedal) ausgeglichen werden, was wiederum dem Leistungshaushalt zugute kommt. Die Tendenz zum Wegsteigen wird durch Drücken der zyklischen Steuerung nach vorne kompensiert und in Steigleistung oder Fahrtgewinn umgesetzt.

Physikalisch lässt sich der Übergangsauftrieb vereinfacht damit erklären, dass durch die zunehmende Fahrt die Luftmasse größer wird, die den Rotor durchströmt. Damit erhöht sich die Leistungsausbeute.

Auftreibsunsymmetrie beim Vorwärtsflug

Auftriebsunsymmetrie: Verschiedene Anströmgeschwinidkeiten am Rotor im HorizontalflugFliegt der Hubschrauber vorwärts, treten am Hauptrotor sehr extreme Verhältnisse auf, denn die Umströmung der Rotorblätter ändert sich während der Umrehung stark. Die Anströmgeschwindigkeit des voreilenden Rotorblatts ergibt sich aus der Summe aus Vorwärtsgeschwindigkeit des Hubschraubers und der Geschwindigkeit, mit der sich das Blatt durch die Drehung nach vorne bewegt. Die Anströmung des rücklaufenden Rotorblatts dagegen ist die Differenz aus Blattdrehgeschwindigkeit und Vorwärtsgeschwindigkeit.

Nun haben wir schon gelernt, dass der Auftrieb von der Anstömgeschwindigkeit abhängt. Auf der Seite, auf der das Rotorblatt nach vorne bewegt wird, ist der Auftrieb denn auch größer als auf der entgegensetzten Seite.

Das Wirbelringstadium

Unter dem Wirbelringstadium (vortex ring state) versteht man einen Luftwirbel, der ensteht, wenn man unter Zuführung von Leistung in den eigenen Rotorabwind sinkt. Der Hubschrauber sinkt dabei in die Luftmasse, die zuvor gerade durch den eigenen Rotor nach unten beschleunigt wurde. Diese Luft wird dann von oben erneut angesaugt. Es entsteht ein in sich geschlossenes System, das Wirbelringstadium. Die Sinkgeschwinidigkeit des Hubschraubers erhöht sich.

WirbelringstadiumFührt der Pilot nun mit dem Kollektivhebel Leistung zu, setzt sich der Strömungsabriss, der zunächst in der Mitte der Rotorkreisfläche entsteht, weiter nach außen fort. Die Sinkrate erhöht sich weiter, anstatt zurückzugehen.

Aus dem Wirbelringstadium kann man sich nur auf zwei Arten befreien:

  • Durch Übergang in den Vorwärtsflug. Dadurch wird der Downwash nach hinten abgeleitet, der Rotor wieder mit neuer Luft von oben versorgt.
  • Durch Absenken des Kollektivhebels in die unterste Position. Der Rotor wird nun nur noch von unten durchströmt und damit in Drehung gehalten. Dieser Zustand entspricht einer Autorotation.

Das Wirbelringstadium kann nur entstehen, wenn man mit Leistung (20 % oder mehr) bei geringer Horizontalgeschwindigikeit (10 Knoten oder weniger) schnell sinkt (mehr als 300 ft/min). Besonders bei steilen Landeanflügen droht daher Gefahr, erst recht wenn dabei auch noch Rückenwind herrscht. Insbesondere in Bodennähe ist das Wirbelringstadium sehr gefährlich.

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