In diesem Kapitel sind die aerodynamischen Grundlagen

sowie die Aerodynamik der Helikopter beschrieben.

Bevor wir in die Aerodynamik der Helikopter einsteigen können, sollten wir einige grundlegende aerodynamische Prinzipien kennen.

Damit die Flugzeuge, die "schwerer als Luft" sind vom Boden abheben können, muss eine Kraft nach oben wirken, die mindestens so gross ist, wie das Gewicht des Flugzeuges. Diese Kraft nennt man Auftrieb und wird durch die Tragflächen erzeugt.
Die Tragflächen oder Flügel haben im Querschnitt eine bestimmte Form, das Profil. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Profilarten, je nachdem welche Flugeigenschaften ein Flugzeug erreichen soll.
Bewegt sich nun eine Tragfläche vorwärts, teilt das Profil den Luftstrom in einen unteren und einen oberen Teil (Abb. 1).

Abb. 1

Da die Luft durch die Wölbung um das Profil verdrängt wird, muss sie einen "weiteren Weg" zurücklegen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Nach dem Gesetz der Strömungslehre (Bernoulli-Gleichung) führt die Geschwindigkeitszunahme zu einer Reduktion des Drucks. Es entsteht auf der Oberfläche des Flügels ein "Sog" (Abb. 2). Da die obere und untere Seite des Profils eine unterschiedliche Wölbung aufweisen, wird auch ein unterschiedlicher "Sog" erzeugt.

Abb. 2

Bei einem vollsymetrischen Profil (hier ist ein halbsymmetrisches dargestellt) ist der Unterdruck auf der Flügeloberseite genau gleich gross wie auf der Unterseite.
Diese rein aerodynamischen Kräfte reichen noch nicht aus, um ein Flugzeug zum Fliegen zu bringen. Ein Flügel muss im Luftstrom leicht angestellt werden, wodurch die Luft nach unten abgelenkt wird, was zu einem Überdruck auf der Flügelunterseite führt, welcher den Gesamtauftrieb erhöht (Abb. 3).

Abb. 3

Dieser Anstellwinkel bewirkt zusätzlich eine Erhöhung des Unterdrucks auf der Oberseite, da die Luft einen noch weiteren Weg zurücklegen muss und dadurch stärker beschleunigt wird.
Durch die Anstellung des Flügels wird aber auch der Luftwiderstand erhöht, was mit einer grösseren Leistung für den Vortrieb kompensiert werden muss.
Grundsätzlich kann gesagt werden, dass der Auftrieb grösser wird je schneller sich das Flugzeug vorwärts bewegt. Gleichzeitig wird aber auch der Luftwiederstand erhöht. Aus diesem Grund besitzen Flugzeuge welche nur langsam fliegen dicke Profile, bei sehr schnellen Flugzeugen reichen schlanke Profile für die Erzeugung des Auftriebs aus.
Der Anstellwinkel und die Geschwindigkeit können aber nicht beliebig erhöht werden da die Luftströmung auf der Oberseite abreissen kann. Das heisst die Strömung fliesst nicht mehr entlang dem Profil, sondern bildet Wirbel (Abb. 4).

Abb. 4

Zuerst entstehen die Wirbel an der Austrittskante. Wird der Anstellwinkel weiter erhöht, bilden sich immer mehr Wirbel Richtung Eintrittskante, bis der Auftrieb nicht mehr ausreicht um das Flugzeug in der Luft zu halten. Dieser Flugzustand wird als Stall (engl.) bezeichnet und tritt vor allem dann auf, wenn das Flugzeug zu langsam fliegt.
Sobald die Strömung wieder sauber am Profil entlang fliesst, ist auch der notwendige Auftrieb wieder vorhanden und das Flugzeug fliegt wieder.

Die Helikopter unterscheiden sich ganz grundsätzlich von den Flächenflugzeugen. Zwar wirken auch beim Helikopter aerodynamische Kräfte, die sind aber viel schwieriger zu berechnen und zu erklären als bei einem Flugzeug. Dies vor allem weil beim sich drehenden Rotor zusätzliche Kräfte entstehen, welche bei einem Flächenflugzeug nicht vorhanden sind.

Bei einem Flugzeug mit Flügeln sind die Verhältnisse einigermassen klar. Der Vortrieb wird entweder durch einen Propeller oder ein Düsentriebwerk geliefert (ausser bei einem Segelflugzeug). Der Auftrieb wird durch die Flügel erzeugt und das Ganze wird mit Klappen, Ruder und Leitwerken gesteuert (Abb. 5).

Abb. 5

Anders sieht es beim Hubschrauber aus. Die sich drehenden Rotorblätter erzeugen, ähnlich wie bei einem Flügel, den Auftrieb und beschleunigen die Luft von oben nach unten. Dies geschieht indem bei allen Rotorblättern der Einstellwinkel (Winkel zwischen Rotorblattsehne und Heli-Längsachse) und dadurch auch der Anstellwinkel gleichzeitig erhöht wird. Dies wird als kollektive Blattverstellung bezeichnet. Dadurch wird die Luft, ähnlich wie bei einem Ventilator, nach unten "geblasen", der Gesamtauftrieb wird erhöht und der Helikopter beginnt zu steigen. Damit sich dieses Gefährt nach vorne bewegt, muss "nur" die Rotorebene nach vorne geneigt werden, so dass der Luftstrom durch den Rotor leicht nach hinten "geblasen" wird (Abb. 6).

Abb. 6

Die Steuerung des Helikopters erfolgt nach dem gleichen Prinzip. Die Rotorebene wird in die Richtung geneigt wohin der Hubschrauber fliegen soll. Dies tönt sehr einfach, ist in Wirklichkeit aber ein sehr komplexer aerodynamischer Vorgang (davon sprechen wir später).
Gemeinerweise besagt ein physikalisches Gesetz (von Newton), dass eine Aktion eine Reaktion hervorruft. Dies bewirkt, dass sich der Rumpf des Helikopters entgegen der Drehrichtung des Rotors drehen möchte. Um dies zu verhindern wird bei den meisten Hubschraubern ein senkrecht drehender Rotor, der Heckrotor angebracht, welcher dieses Drehmoment ausgleicht (Abb. 7). Mit diesem Heckrotor kann der Helikopter im Schwebeflug um die Hochachse gesteuert werden.

Abb. 7

Bei Konstruktionen mit zwei gegenläufig drehen Hauptrotoren, entsteht kein Drehmoment auf den Rumpf, resp. die Drehmomente der beiden Rotoren heben sich gegenseitig auf.