Module 8: Basic Aerodynamics

Modul 8: Grundlagen der Aerodynamik — Lernmaterial für Kategorie B3

1. Modulübersicht

Modul 8, Grundlagen der Aerodynamik, ist ein grundlegendes Fach für die EASA Part-66 B3 (Hubschrauber)-Lizenz. Es vermittelt die wesentlichen physikalischen und aerodynamischen Prinzipien, die zum Verständnis des Verhaltens von Flugzeugen und Hubschraubern erforderlich sind. Für die Kategorie B3 liegt ein erheblicher Teil dieses Moduls im Fokus auf der Drehflügler-Aerodynamik, die sich erheblich von den Prinzipien der Starrflügler unterscheidet.

Das Modul ist in zwei Hauptbereiche unterteilt:

• 8.1 Physik der Atmosphäre: Behandelt die Internationale Standardatmosphäre (ISA), Luftdichte, Druck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit sowie deren Auswirkungen auf aerodynamische Kräfte.
• 8.2 Aerodynamik: Behandelt die Flugtheorie für Flugzeuge und Hubschrauber, einschließlich Luftströmung um Körper, Auftriebserzeugung, Widerstand, Kräfte in verschiedenen Flugzuständen, Stabilität und Hochgeschwindigkeits-Aerodynamik.

Für die B3-Lizenz ist die erforderliche Wissensstiefe für hubschrauberspezifische Themen auf Stufe 3 (detaillierte Theorie) und für allgemeine Flugzeugaerodynamik auf Stufe 2 (allgemeines Wissen) festgelegt. Dieses Lernmaterial fasst das Kernwissen zusammen, das zur Erfüllung dieser Lehrplanziele erforderlich ist.

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2. Schlüsselkonzepte im Detail erklärt

2.1 Die Atmosphäre und Fluggeschwindigkeit

Internationale Standardatmosphäre (ISA)

Die Leistung eines Luftfahrzeugs wird direkt durch den Zustand der Atmosphäre beeinflusst, durch die es fliegt. Um eine gemeinsame Referenz für Leistungsberechnungen, Instrumentenkalibrierung und technische Auslegung zu schaffen, ist die Internationale Standardatmosphäre (ISA) definiert. Sie geht von folgenden Annahmen aus:

• Meereshöhendruck: 1013,25 hPa (Hektopascal) oder 1013,25 mb.
• Meereshöhentemperatur: 15 °C (288,15 K).
• Temperaturgradient: 1,98 °C pro 1.000 ft (ca. 2 °C) bis zur Tropopause in 36.090 ft (11.000 m), wo die Temperatur konstant bei -56,5 °C bleibt.

Luftdichte und ihre Auswirkungen

Die Luftdichte (ρ) ist die Masse der Luft pro Volumeneinheit (kg/m³). Sie ist ein kritischer Parameter bei der Berechnung aerodynamischer Kräfte. Die Dichte nimmt mit zunehmender Höhe und Temperatur ab und nimmt mit abnehmender Temperatur und zunehmendem Druck zu.

Der Staudruck (q) ist die kinetische Energie der Luftströmung und wird durch die Formel definiert:

q = ½ ρ V²

Wobei:

• q = Staudruck (Pa oder N/m²)
• ρ = Luftdichte (kg/m³)
• V = Wahre Fluggeschwindigkeit (m/s)

Diese Beziehung ist von grundlegender Bedeutung. Die von einem Flügel oder einer Rotorblatt erzeugten Auftriebs- und Widerstandskräfte sind direkt proportional zum Staudruck.

Geschwindigkeitsdefinitionen

• Angezeigte Fluggeschwindigkeit (IAS): Die Geschwindigkeit, die direkt vom Fahrtmesser abgelesen wird. Sie ist eine Funktion des Staudrucks (q), der auf das Pitot-Statik-System wirkt.
• Wahre Fluggeschwindigkeit (TAS): Die tatsächliche physikalische Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs relativ zur umgebenden Luft.
• Beziehung zwischen IAS und TAS: Der Fahrtmesser ist so kalibriert, dass er auf Meereshöhe unter ISA-Bedingungen korrekt anzeigt. In der Höhe, wo die Dichte geringer ist, muss das Luftfahrzeug schneller fliegen (höhere TAS), um denselben Staudruck (q) und damit dieselbe IAS zu erzeugen. Daher gilt: TAS > IAS in der Höhe. Bei konstanter IAS bleibt der Staudruck (q) unabhängig von der Höhe konstant.

Prüfungsschwerpunkt: Wenn ein Pilot beim Steigflug eine konstante IAS beibehält, nimmt die TAS zu. Wenn ein Pilot beim Steigflug eine konstante TAS beibehält, nimmt der Staudruck (q) ab.

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2.2 Starrflügler-Aerodynamik (Flugzeug)##### Kräfte im stabilen Steigflug

Im stabilen Steigflug befindet sich das Flugzeug im Gleichgewicht, d. h. die Summe aller Kräfte ist null. Die Kräfte werden in Komponenten parallel und senkrecht zur Flugbahn zerlegt.

• Parallel zur Flugbahn: Der Schub (T) muss den Widerstand (D) plus die Komponente des Gewichts (W), die entlang der Flugbahn wirkt (W sin γ), ausgleichen. Daher gilt T = D + W sin γ. Das bedeutet, dass im Steigflug Schub > Widerstand ist.
• Senkrecht zur Flugbahn: Der Auftrieb (L) muss die Komponente des Gewichts, die senkrecht zur Flugbahn wirkt (W cos γ), ausgleichen. Daher gilt L = W cos γ. Das bedeutet, dass im Steigflug Auftrieb < Gewicht ist.

Die Wirkung von Leistungsänderungen

Betrachten wir ein Flugzeug im stabilen, geraden und horizontalen Flug. Wenn der Pilot die Leistung reduziert, ohne das Höhenruder zu betätigen:

1. Der Schub nimmt ab, was ein Ungleichgewicht der Kräfte entlang der Flugbahn verursacht.
2. Das Flugzeug beginnt zu verlangsamen.
3. Diese Verlangsamung führt dazu, dass die relative Anströmung von leicht unterhalb der Profilsehne des Flügels kommt, was den Anstellwinkel (AoA) erhöht.
4. Allerdings nimmt der Staudruck (q) ab, wenn die Fluggeschwindigkeit abnimmt. Die Verringerung des Staudrucks hat eine größere Wirkung auf den Auftrieb als die geringe Zunahme des Anstellwinkels, sodass der Gesamtauftrieb abnimmt.
5. Der Lastvielfache (n = L/W) sinkt unter 1, und das Flugzeug beginnt einen Sinkflug.

Anstellwinkel und Auftrieb

Der Anstellwinkel ist der Winkel zwischen der Profilsehne des Flügels und der relativen Anströmung. Mit zunehmendem Anstellwinkel nimmt der Auftrieb proportional zu (bis zu einem bestimmten Punkt), da die Luftströmung stärker nach unten abgelenkt wird. Dies setzt sich fort, bis der kritische Anstellwinkel (Überzieh-Winkel) erreicht ist. Jenseits dieses Winkels löst sich die Strömung von der Oberseite ab, was zu einem schnellen Auftriebsverlust und einem Anstieg des Widerstands führt (Strömungsabriss).

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2.3 Hubschrauber-Aerodynamik

Schwebeflug und induzierte Strömung

Im Schwebeflug beschleunigt das Rotorsystem Luft nach unten. Diese Abwärtsgeschwindigkeit der Luft durch die Rotorscheibe wird als induzierte Strömung (oder Abwind) bezeichnet. Diese induzierte Strömung ist ein Schlüsselfaktor in der Aerodynamik der Rotorblätter.

Die relative Anströmung eines Rotorblatts ist eine Kombination aus:

• Der rotationsbedingten relativen Anströmung (aufgrund der Rotation des Blatts).
• Der induzierten Strömung (nach unten).

Die induzierte Strömung wird vektoriell zur rotationsbedingten relativen Anströmung addiert. Dies hat zur Folge, dass der resultierende Anströmwinkel verringert wird, was wiederum den effektiven Anstellwinkel des Blatts verringert. Um diesen Verlust an effektivem Anstellwinkel auszugleichen und einen konstanten Schub aufrechtzuerhalten, muss der Pilot die kollektive Blattverstellung erhöhen.

Querströmungseffekt

Während eines Schwebeflugs ist die Strömung durch den hinteren Teil der Rotorscheibe nicht rein vertikal. Sie hat eine nach unten und außen gerichtete Komponente. Dies liegt daran, dass die Geschwindigkeit der induzierten Strömung über die Scheibe nicht gleichmäßig ist. Der hintere Teil der Scheibe erfährt einen anderen Anströmwinkel als der vordere. Dies führt zu einem verringerten Auftrieb am hinteren Teil der Scheibe, was ein Rollmoment erzeugt (typischerweise nach rechts bei einem Hauptrotor, der von oben betrachtet gegen den Uhrzeigersinn dreht). Um diesem Driften entgegenzuwirken, betätigt der Pilot das linke zyklische Steuer, um die Blattspitzenebene nach links zu neigen.##### Bodeneffekt

Wenn ein Hubschrauber nahe über dem Boden schwebt (innerhalb von etwa einem Rotordurchmesser), begrenzt der Boden die nach unten gerichtete Luftströmung. Diese Begrenzung reduziert die induzierte Strömungsgeschwindigkeit durch die Rotorscheibe. Die Vorteile sind:

• Reduzierter induzierter Widerstand an den Rotorblättern.
• Verbesserte Rotoreffizienz.
• Der Hubschrauber kann bei einer geringeren Leistungseinstellung schweben, als dies außerhalb des Bodeneffekts (OGE) möglich wäre.

Wenn der Pilot im Bodeneffekt (IGE) die kollektive Blattverstellung anhebt, führt der erhöhte Blattanstellwinkel (AoA) in Kombination mit der bereits reduzierten induzierten Strömung zu einem höheren effektiven Anstellwinkel, wodurch bei gegebener Leistung mehr Auftrieb erzeugt wird.

Rotorblattverwindung

Die Rotationsgeschwindigkeit eines Rotorblatts nimmt von der Blattwurzel zur Blattspitze zu. Daher ist die relative Rotationsluftströmung an der Spitze viel schneller als an der Wurzel. Ohne konstruktive Änderungen würde die Spitze einen unverhältnismäßig großen Auftrieb erzeugen und zuerst abreißen, während die Wurzel ineffizient wäre.

Um dies zu lösen, sind die Rotorblätter entlang ihrer Spannweite verwunden. Das Blatt ist mit einer negativen Verwindung (Washout) konstruiert, bei der der geometrische Anstellwinkel an der Wurzel höher und an der Spitze niedriger ist. Dies gleicht den effektiven Anstellwinkel entlang der Blattspannweite aus, erzeugt eine gleichmäßigere Auftriebsverteilung und verzögert das Einsetzen des Spitzenströmungsabrisses.

Blattspitzenkonstruktion

Die Spitze eines Rotorblatts ist ein Bereich hoher aerodynamischer Aktivität. Der Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite führt dazu, dass Luft um die Spitze strömt und einen Spitzenwirbel erzeugt. Dieser Wirbel ist eine Quelle für induzierten Widerstand und Lärm. Moderne Blattspitzen sind oft gepfeilt oder nach oben gebogen, um die Stärke dieser Spitzenwirbel zu reduzieren, was den induzierten Widerstand verringert und die Gesamtleistung des Rotors verbessert.

Blattkonus

Wenn der Rotor mit normaler Betriebsdrehzahl dreht, sind die Blätter zwei Hauptkräften ausgesetzt:

• Zentrifugalkraft (CF): Zieht die Blätter nach außen, vom Rotorkopf weg.
• Aerodynamischer Auftrieb (L): Wirkt senkrecht zur Blattspannweite und drückt die Blätter nach oben.

Diese beiden Kräfte erreichen ein Gleichgewicht, wodurch die Blätter in einen leichten Aufwärtswinkel ansteigen, der als Konuswinkel bezeichnet wird. Der Konuswinkel ist ein normaler und notwendiger Zustand für einen stabilen Rotorbetrieb.

Auftriebsasymmetrie und Strömungsabriss des rücklaufenden Blatts

Im Vorwärtsflug ist die relative Luftströmung über dem vorlaufenden Blatt die Summe aus Rotationsgeschwindigkeit und Vorwärtsfluggeschwindigkeit. Über dem rücklaufenden Blatt ist sie die Differenz zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Vorwärtsfluggeschwindigkeit. Dies erzeugt eine Auftriebsasymmetrie, wobei das vorlaufende Blatt mehr Auftrieb erzeugt.

Um dies auszugleichen, verlässt sich das Rotorsystem auf das Schlagen. Das vorlaufende Blatt schlägt nach oben, was seinen effektiven Anstellwinkel und Auftrieb reduziert. Das rücklaufende Blatt schlägt nach unten, was seinen effektiven Anstellwinkel und Auftrieb erhöht. Mit zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit muss der effektive Anstellwinkel des rücklaufenden Blatts jedoch weiter erhöht werden, um dies auszugleichen. Schließlich erreicht das rücklaufende Blatt seinen kritischen Anstellwinkel und reißt ab. Dies ist der Strömungsabriss des rücklaufenden Blatts, der die maximale Vorwärtsgeschwindigkeit eines Hubschraubers begrenzt.

Autorotation

Autorotation ist der Zustand des antriebslosen Sinkflugs, bei dem der Rotor durch aerodynamische Kräfte anstelle von Motorleistung angetrieben wird. Der Hubschrauber sinkt, wodurch eine resultierende relative Luftströmung entsteht, die durch die Rotorscheibe nach oben gerichtet ist.Der Rotorkreis wird in drei Bereiche unterteilt:

1. Strömungsabrissbereich (innen): In der Nähe der Blattwurzel ist die Luftströmung aufgrund des hohen lokalen Anstellwinkels (AoA) abgerissen.
2. Antriebsbereich (Mitte): Die aufwärts gerichtete Luftströmung erzeugt eine resultierende Kraft mit einer Vorwärtskomponente, die den Rotor antreibt und die Rotordrehzahl (RPM) aufrechterhält.
3. Getriebener Bereich (außen): Der äußere Teil des Blattes erzeugt eine resultierende Kraft mit einer Rückwärtskomponente, die Energie verbraucht.

Im stationären Autorotationsflug gleicht die vom Antriebsbereich erzeugte Energie die vom getriebenen Bereich und dem Strömungsabrissbereich verbrauchte Energie aus, wodurch eine konstante Rotordrehzahl aufrechterhalten wird.

Auswirkung der Kollektivblatthöhenerhöhung auf die Rotordrehzahl

Wenn der Pilot die Kollektivblatthöhe erhöht, ohne den Gashebel anzupassen, steigt die Blattsteigung (AoA). Dies erhöht den aerodynamischen Widerstand an den Rotorblättern. Wenn das Triebwerk die Rotordrehzahl gegen diesen erhöhten Widerstand nicht aufrechterhalten kann, sinkt die Rotordrehzahl (RPM). Eine niedrigere Drehzahl reduziert die Blattspitzengeschwindigkeit. Am rücklaufenden Blatt wird der bereits hohe Anstellwinkel durch die Kollektivblatthöhenerhöhung weiter erhöht, was die Strömungsabrissbedingung des rücklaufenden Blattes verschlechtert.

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3. Wichtige Formeln und Beziehungen

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4. Häufige Beziehungen zwischen Konzepten

• Dichte ↔ Höhe ↔ Temperatur: Mit zunehmender Höhe nimmt die Dichte ab. Mit abnehmender Temperatur nimmt die Dichte zu.
• Staudruck ↔ IAS: Die IAS ist ein direktes Maß für den Staudruck. Eine konstante IAS bedeutet einen konstanten Staudruck.
• TAS ↔ Dichte ↔ IAS: Bei konstanter IAS muss die TAS zunehmen, wenn die Dichte abnimmt (mit der Höhe).
• Induzierte Strömung ↔ Effektiver Anstellwinkel ↔ Kollektivblatthöhe: Eine Zunahme der induzierten Strömung (Abwind) verringert den effektiven Anstellwinkel, was eine Erhöhung der Kollektivblatthöhe erfordert, um den Schub aufrechtzuerhalten.
• Bodeneffekt ↔ Induzierte Strömung ↔ Leistung: Der Bodeneffekt reduziert die induzierte Strömung, was den induzierten Widerstand und die für den Schwebeflug erforderliche Leistung verringert.
• Rotordrehzahl ↔ Blattwiderstand ↔ Kollektivblatthöhe: Eine Erhöhung der Kollektivblatthöhe erhöht den Blattwiderstand, was, wenn es nicht durch den Gashebel ausgeglichen wird, zu einem Abfall der Rotordrehzahl führt.
• Vorwärtsgeschwindigkeit ↔ Strömungsabriss des rücklaufenden Blattes: Die Notwendigkeit, den Auftrieb zwischen vorlaufenden und rücklaufenden Blättern auszugleichen, führt zu einem zunehmenden Anstellwinkel am rücklaufenden Blatt, was bei hohen Vorwärtsgeschwindigkeiten schließlich zu einem Strömungsabriss führt.

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5. Typische Prüfungsschwerpunkte

Für die EASA Part-66 B3 Modul 8 Prüfung sollten sich die Kandidaten auf die folgenden Bereiche konzentrieren:1. Atmosphäre und Fluggeschwindigkeit: In der Lage sein, die Beziehung zwischen IAS, TAS, Dichte und dynamischem Druck zu erklären. Die Bedingungen der ISA verstehen.

1. Kräfte im Flug: In der Lage sein, Kräfte im stabilen Steigflug zu zerlegen und zu verstehen, warum Schub > Widerstand und Auftrieb < Gewicht ist.
2. Schwebehubschrauber: Die Konzepte der induzierten Strömung, des Querströmungseffekts und des Bodeneffekts verstehen. Die erforderlichen Korrekturmaßnahmen (zyklische und kollektive Eingaben) kennen.
3. Rotorblattdesign: Den Zweck von Blattverwindung, Blattspitzenformen und das Phänomen der Blattkonung verstehen.
4. Autorotation: In der Lage sein, die drei Bereiche der Rotorscheibe und die Richtung der Luftströmung während einer stabilen Autorotation zu beschreiben.
5. Rücklaufender Blattströmungsabriss: Ursache, Wirkung und Folgen des Strömungsabrisses am rücklaufenden Blatt verstehen.
6. Wirkung von Leistungsänderungen: In der Lage sein, die unmittelbaren aerodynamischen Folgen einer Leistungsänderung an einem Flugzeug vorherzusagen, einschließlich der Auswirkung auf Anstellwinkel und Lastvielfaches.