Induzierte Geschwindigkeit

Der von einem Motor oder einer Turbine in Drehbewegung versetzte Hauptrotor eines Hubschraubers erzeugt unmittelbar über der Rotorebene (angenommene Fläche, auf der die Rotorblätter drehen) einen Unterdruck und darunter einen Überdruck. Dabei wird die Luftmasse durch die Rotorebene gesaugt und vom Hauptrotor in Abhängigkeit vom Anstellwinkel der Rotorblätter nach unten beschleunigt. Dieser technische Abwind wird auch als Downwash bezeichnet.

Die Geschwindigkeit der vom Hauptrotor nach unten beschleunigten durchgesetzten Luftmasse wird induzierte Geschwindigkeit genannt (abgeleitet aus dem lateinischen inductio „(Her-/Hin)Einführung“). Sie wird mit v_i abgekürzt und in Metern pro Sekunde (${\displaystyle {\tfrac {m}{s}}}$) angegeben.^{:XXI und 48} Sie liegt bei Hubschraubern im Schwebeflug (v_i0) üblicherweise bei ca. 6 ${\displaystyle {\tfrac {m}{s}}}$ (= ca. 21,5 ${\displaystyle {\tfrac {km}{h}}}$).^:62

Der Luftdurchsatz beim Schwebeflug ist nicht gleichmäßig über das Rotorblatt verteilt. In der Mitte ist er höher als an der Blattspitze und dem Ende, das dem Rotorkopf zugewandt ist.^:201 Man spricht hier von der ungleichförmigen induzierten Geschwindigkeit.^:64 Die Verteilung der induzierten Geschwindigkeit über das Rotorblatt wird mit v_ir angegeben, wobei r den laufenden Rotorradius in Metern angibt.^{:XX f., 64}

Senkrechte (vertikale) Fluggeschwindigkeit

Vertikal wird hier als lotrecht zur Erdoberfläche bzw. auf den Erdmittelpunkt gerichtet definiert.

Als senkrechte oder vertikale Fluggeschwindigkeit (auch Sinkrate bzw. Sinkgeschwindigkeit genannt) wird die auf den Erdboden gerichtete Sinkgeschwindigkeit eines Hubschraubers bezeichnet. Sie wird mit v_z ^:XXI abgekürzt und in Metern pro Sekunde angegeben. Sie liegt bei Hubschraubern üblicherweise bei 2,5 ${\displaystyle {\tfrac {m}{s}}}$.^:53

Durch die senkrechte Fluggeschwindigkeit wird im Schwebeflug eine Luftströmung erzeugt, die dem Downwash entgegenwirkt. Da im Bereich des Rotorkopfes der Luftdurchsatz geringer ist als in der Rotorblattmitte, wird hier die Beschleunigung der Luftmasse in Abhängigkeit von der Sinkrate des Hubschraubers durch die entgegenwirkende Luftströmung teilweise wieder ausgeglichen oder sogar umgekehrt.^:203

Waagerechte (horizontale) Fluggeschwindigkeit

Als waagerechte oder horizontale Fluggeschwindigkeit wird die parallel zum Boden erreichte Fluggeschwindigkeit bezeichnet. Sie wird unter anderem als wahre Fluggeschwindigkeit oder tatsächliche Geschwindigkeit über Grund in Knoten (kn) angegeben.

Wirbelbildung am Hauptrotorblatt

In der Strömungslehre werden Kreisströmungen eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) als Wirbel oder Vortex bezeichnet. Wirbel bilden sich, wenn innerhalb eines Fluids ein ausreichend großer Geschwindigkeitsunterschied entsteht, so dass ein Teil des Gases oder der Flüssigkeit deutlich schneller fließt als der Rest.

An sich drehenden Rotorblättern entsteht eine laminare Strömung, so dass die Luft in Schichten entlang der Oberfläche der Rotorblätter strömt, die sich nicht miteinander vermischen. Die Rotorblätter besitzen in Abhängigkeit von deren Anstellwinkel jedoch auch einen Reibungswiderstand, der die Wirbelbildung an den Rotorblättern verursacht. Ein größerer Anstellwinkel resultiert in einem größeren Reibungswiderstand und somit auch in größeren Wirbeln.

Die Wirbel entziehen der Strömung in Abhängigkeit von ihrer Größe Energie, die sie z. B. in Wärmeenergie umwandeln. Im Schwebeflug sind Leistungsverluste durch Wirbel an den Rotorblattspitzen in einer Größenordnung von 2 bis 4 % zu verzeichnen.^:51

Entstehung des Wirbelringstadiums am Hauptrotor

Auch an den Rotorblattspitzen bilden sich insbesondere im Schwebeflug Wirbel. Bei hohen Sinkraten (senkrechten Fluggeschwindigkeiten) – beim Schwebeflug im Bereich zwischen ${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}$ bis ${\displaystyle {\tfrac {5}{4}}}$ der induzierten Geschwindigkeit – strömt ein Teil der bereits nach unten beschleunigten Luftmassen außen am Hauptrotor vorbei, wird von diesem erneut oben angesaugt und nach unten beschleunigt, so dass deren induzierte Geschwindigkeit weiter erhöht wird. Dieser Vorgang wird auch Rezirkulation genannt.^:53

Die Wirbel an den Rotorblattspitzen treten miteinander in Wechselwirkung, wenn die Sinkrate (senkrechte Fluggeschwindigkeit) etwa ${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}$ der induzierten Geschwindigkeit erreicht. Steigt die senkrechte Fluggeschwindigkeit auf ${\displaystyle {\tfrac {3}{4}}}$ der induzierten Geschwindigkeit an, werden die Wechselwirkungen zwischen den Wirbeln so groß, dass sich auf der Rotorebene ein geschlossener Wirbelring um die Rotorblattspitzen bildet.^:63 Dieser wächst längs des Rotorblattes von außen nach innen und hat die Form eines Torus.

Dadurch wird der vom Hauptrotor erzeugte Auftrieb verringert und die senkrechte Fluggeschwindigkeit erhöht. Der Hubschrauber gerät in einen Teufelskreis aus verringertem Auftrieb, dadurch erhöhter senkrechter Fluggeschwindigkeit und daraus resultierender Verstärkung der Rezirkulation in Verbindung mit der Vergrößerung des Wirbelringes. Dieses kann zum fast völligen Verlust des Auftriebes und damit zum Absturz des Hubschraubers führen.

Der Wirbelring wirkt sich nicht im Innenbereich des Rotors, d. h. um den Rotorkopf herum, aus. Hier wird jedoch aufgrund der größeren senkrechten Fluggeschwindigkeit die Anströmgeschwindigkeit der Rotorblätter von unten erhöht, was zu einem Strömungsabriss im Innenbereich der Rotorblätter und damit zu einer weiteren Verringerung des Auftriebs führen kann. Dieser Bereich des Strömungsabrisses wächst bei Vergrößerung des Wirbelringes längs des Rotorblattes von innen nach außen, bis sich beide Bereiche über das gesamte Rotorblatt erstrecken.^:70

Gefährliche Rahmenbedingungen

Die Entstehung des Wirbelringstadiums wird durch bestimmte Rahmenbedingungen begünstigt. Diese sind:

• Die horizontale relative Geschwindigkeit zur Luft ist gering (Fluggeschwindigkeit kleiner als 10 Knoten^:59, d. h. ca. 18,5 ${\displaystyle {\tfrac {km}{h}}}$ oder der Hubschrauber hat bei schnellem Sinkflug starken Rückenwind)

und

die Sinkgeschwindigkeit ist größer als ${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}$ der induzierten Geschwindigkeit (ca. 300 Fuß/Minute = ca. 1,5 ${\displaystyle {\tfrac {m}{s}}}$)^{:59 :70}

oder

• Die Sinkgeschwindigkeit (v_z) liegt zwischen ${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}$ und ${\displaystyle {\tfrac {5}{4}}}$ der induzierten Geschwindigkeit (v_i0); es gilt also:

${\displaystyle \mathrm {{\tfrac {1}{4}}\,{v}_{i0}\,{<}\,{v}_{z}\,{<}\,{{\tfrac {5}{4}}\,{v}_{i0}}} }$^{:53 Gleichung 4.26}

und

die momentane Motor-/Turbinenleistung ist größer als 20 % der Maximalleistung.^:59

Auswirkungen des Wirbelringstadiums

Wenn ein Hubschrauber im Wirbelringstadium fliegt, sind starke Vibrationen, insbesondere im Bereich des Rotorkopfes, festzustellen. Außerdem vollzieht der Hubschrauber aufgrund der durch die Rezirkulation verursachten unsauberen Anströmung des Rotors von oben und unregelmäßige exzentrische Abströmungen unterhalb des Rotors schwerer zu kontrollierende Bewegungen.

Die Motor- bzw. Turbinenleistung des Hubschraubers wird fast vollständig in die immer stärkere Beschleunigung der Luftmassen im Wirbelring umgesetzt, ohne dabei nennenswerten Auftrieb zu erzeugen. Die vertikale Geschwindigkeit kann bis auf über 10 ${\displaystyle {\tfrac {m}{s}}}$ (= 36 ${\displaystyle {\tfrac {km}{h}}}$), also das Vierfache der üblichen Sinkgeschwindigkeit, erhöht werden.^:70

Maßnahmen des Hubschrauberpiloten

Der Hubschrauberpilot muss bei Auftreten von Anzeichen des Wirbelringstadiums sehr schnell reagieren, um einen Absturz zu verhindern. Dieses gilt umso mehr im Landeanflug.

Da die Erhöhung der Rotordrehzahl bzw. des Anstellwinkels der Rotorblätter zur Erhöhung des Auftriebes das Wirbelringstadium nur verschlimmert (siehe o. a. Teufelskreis), bleibt dem Piloten – ausreichende Steuerbarkeit des Hubschraubers vorausgesetzt – nur die Erhöhung der horizontalen Geschwindigkeit (meistens nach vorne, aber auch zur Seite oder nach hinten), um den Hubschrauber zu stabilisieren.

Durch die (horizontale) Bewegung nach vorne, hinten oder zur Seite wird die Rezirkulation an den Rotorblattspitzen reduziert und im günstigsten Fall der Wirbelring aufgelöst. Daraus resultiert eine Erhöhung des Auftriebes und die Reduzierung der senkrechten Geschwindigkeit.

Befindet sich der Hubschrauber noch in ausreichender Höhe über Grund, kann der Pilot in die Autorotation übergehen. Der durch die Luftströmung von unten frei rotierende Hauptrotor (ohne Antrieb durch den Motor oder die Turbine) beschleunigt die Luft nicht mehr nach unten, so dass die Rezirkulation unterbrochen wird.^:204