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Aufbau
Technische Details
Flugverhalten
Einsatz
Noch etwas Theorie
Ein Tragschrauber ist ..
.. fast so etwas wie eine Kreuzung zwischen FW (fix wing: Flächenflugzeug) und Helikopter. Er hat einen Propeller und ein Seitenruder wie ein FW, dazu oben einen Rotor. Der Rotor bringt den Auftrieb, der Propeller den Vortrieb. Gesteuert wird er dreiachsig wie ein FW, wobei die Bewegungen um die Längs- und Querachse durch Kippen des Rotorkopfes erfolgen.
Sein Rotor ist nicht angetrieben, er nutzt das Phänomen der Autorotation. Wie Chopper-Piloten bei Notlandungen ohne Triebwerk. Ein Rotor mit halbwegs korrekten Einstellwinkeln dreht sich bei Anstömung von unten wie ein Windrad. Dieser Einstellwinkel muss beim Gyro nicht verändert werden, was den Rotorkopf gegenüber dem eines Helikopters deutlich vereinfacht.
Solange der Gyropilot für Belastungen im positiven g-Bereich und für ausreichend Motorleistung sorgt, regelt der Rotor Auftrieb und Drehzahl selber.
Erfunden wurde der Autogiro Anfang der zwanziger Jahre vom Spanier Juan de la Cierva. Daher sein Name: "Autogiro" = "Dreht von selbst", damit ist der Rotor gemeint. Er wollte ein Gerät entwickeln, das den Strömungsabriss nicht kennt.
Mit dem technischen Fortschritt des Helikopters ging der Gyro in Europa praktisch vergessen, hingegen hat er in Australien und den USA eine hartnäckige Fangemeinde.
Was spricht für den Gyro?
Der Gyro hat eine Menge Vorteile:
- Stall: Da sich der Rotor immer recht schnell dreht (300 .. 360 min-1), kann ein Gyro auch bei sehr geringer Geschwindigkeit nicht in einen Strömungsabriss geraten. Er ist deshalb grundsätzlich sehr sicher.
- Geschwindigkeitsbereich: Der Gyro kann in einem beträchtlichen Geschwindigkeitsbereich sicher geflogen werden. 30 km/h bis 160 km/h sind durchaus gängig, die Grenzen ergeben sich primär durch die zur Verfügung stehende Leistung, da sehr schnelles und sehr langsames Fliegen viel Leistung braucht.
- Wendigkeit: Kein anderes Fluggerät ist wendiger, Cracks drehen einen Gyro praktisch verzögerungsfrei um die Hochachse.
- Sicherheit: Ein Gyro braucht für eine Landung nur ein paar Meter. Bei Motorausfall kann man ihn notfalls in einer ca. 30 m langen Lücke "parkieren".
- Flugruhe: Da Turbulenzen und Böen den Rotor passieren, ohne ihn - dank seiner enormen Trägheit - gross abzulenken, fliegt sich ein Gyro in rauen Verhältnissen viel komfortabler als ein FW.
- Sicht: Ein Gyro in Pusher-Bauweise (= Motor und Propeller hinten) bietet eine dem Helikopter vergleichbare Aussicht.
- Kosten: Ein Gyro-Projekt ist günstiger als ein vergleichbares FW-Projekt, von einem Helikopter-Projekt ganz zu schweigen.
- Hangarierung: Ein Gyro begnügt sich mit ein paar Quadratmetern Platz im Hangar; sonst tuts auch ein Platz in einer Tiefgarage.
Er hat auch ein paar Nachteile:
- Start: Da der Rotor nicht angetrieben ist, braucht der Gyro eine minimale Geschwindigkeit, um abzuheben. Das heisst: Eigentlich nicht der Gyro, nur der Rotor. Deshalb haben fast alle Geräte heute einen "Prerotator", mit welchem der Rotor vor dem Start auf eine möglichst hohe Drehzahl vorbeschleunigt wird.
- Hovern: Im Flug still stehen wie ein Chopper kann ein Gyro nicht. Hingegen kann man ihn mit Nullspeed absinken lassen, dieses Manöver muss allerdings auf sicherer Höhe abgebrochen werden, sonst gibts einen Crash; immerhin beträgt die Sinkgeschwindigkeit vertikal bis gegen 10 m/s.
- Gleitzahl: Die besten Geräte mit optimalen Rotorprofilen bringen etwa eine Gleitzahl von 1:4, man muss beim Gyro also eher von "Fallzahl" sprechen. Bei Motorausfall gibts kein langes Herumfackeln, da muss der Pilot reagieren.
- Motorleistung: Wie schon die lausige Gleitzahl zeigt, ist Fliegen mit Rotoren nicht besonders effizient. Ein typischer Gyro braucht 1 PS pro 5 kg Fluggewicht und fliegt va mit 50 .. 70 % der Leistung.
Etwas gemildert wird dieser Fakt, dass heutige Gyros oft mit modifizierten Automotoren fliegen, die deutlich weniger Durst entwickeln als die Lycomings von anno domini.
Aufbau:
Ein Gyro braucht erstaunlich wenig Bauteile, um in die Luft zu kommen.
- Chassis: In der Grundkonfiguration ein Kreuz aus Metallrohren, an deren 4 Enden je ein Rad und am Mastfuss ein Sitz befestigt ist.
- Ruder: Am Heckende ist ein Ruder angebracht, das wie bei einem FW betätigt wird.
- Mast: Verbindet Chassis und Rotorkopf und trägt normalerweise den Motor.
- Motor / Propeller: Pusher (hinten) oder Tractor (konventionell) möglich. Antriebe heute meist mit Reduktionsgetriebe.
- Rotorkopf: Kardanisch aufgehängte Verbindung zwischen Rotor und Mast. Das Steuergestänge greift hier an und kippt den Rotor seitlich oder nach vorn / hinten gegenüber dem Rest.
- Rotor: Normalerweise ein untereinander starr gekoppelter Zweiblatt-Rotor, der über ein "Teeter hinge" (Schlaggelenk) mit dem Rotorkopf verbunden ist.
- Teeter hinge: Das technische Glanzstück der Konstruktion. Sorgt dafür, dass sich der Rotor gegenüber dem Gyro in einer anderen Ebene drehen kann als durch das Zentrallager vorgegeben. Der deutsche Name - Schlaggelenk - ist wenig sinnig, weil das Teeter hinge dafür sorgt, dass der Rotor eben (fast) nicht schlägt.
ULs nach US-Vorschriften:
Ein UL darf in den USA maximal 254 lb (ca. 115 kg) wiegen. Mehrgewicht ist nur für Rettungssysteme zulässig. Das führt dazu, dass alles nicht absolut Notwendige weggelassen wird. Zum Teil mit fatalen Folgen. - Weggelassen wird:
Deutsche ULs dürfen übrigens 300 kg (Einsitzer) bezw. 450 kg (Doppelsitzer) wiegen. Auch hier gilt die Ausnahme für Rettungssysteme (der Gyro ist das einzige UL, das nach deutschen Vorschriften kein solches braucht). Schweizer Experimentals dürfen 750 kg wiegen und nicht mehr als zweiplätzig sein.
- Anlasser: Der Motor wird von Hand an der Luftschraube gestartet. Was bei Tractor-Anordnung noch praktikabel ist, führt bei Pushern immer wieder dazu, dass der Pilot in Stücke gehackt wird.
- Reduktionsgetriebe: Der Propeller wird direkt am Motor - in der Regel ein Zweitakter - angeflanscht. Durch die hohe Drehzahl des Propellers sind diese Geräte unerträglich laut. Umso mehr, als auch an der Auspuffanlage Gewicht gespart werden muss.
- Prerotator: Der Rotor wird von Hand vorbeschleunigt. Auf diese Weise sind maximal 70 R-RPM zu erreichen. Das reicht nicht, um 'blade-flapping' zu verhindern, ausserdem wird die Startstrecke viel länger.
Und gefährlich ist es auch: Der Pilot steht dabei - bei laufenden Motor. Wenn sich die Bremse lösen sollte, hat er ein echtes Problem.
- Lichtmaschine / Akku: Für elektrische Apparate steht nur der Strom der Magnetos zur Verfügung. Die Gyros haben darum keine Positionslampen und oft auch keinen Funk.
Für einmal war Europa vernünftiger!
Technische Details:
Rotor und Rotorkopf:
Der normale Rotorkopf eines Helikopters hat pro Blatt drei Gelenke hat. Eines erlaubt, via Taumelscheibe den Einstellwinkel zu verändern (cyclic & collective). Damit wird der Heli gerade gehalten und gesteuert. Eines erlaubt dem Rotorblatt nach oben (feathering) und eines nach vorn / hinten auszuweichen (lead / lag).
Dieser komplexe Aufbau ist erforderlich, weil das in Flugrichtung voreilende Blatt (advancing blade) mehr Auftrieb erzeugt als das auf der anderen Seite. Diese Erkenntnis, und dass das normalerweise dazu führen würde, dass das Gerät kippt, sobald es sich schnell genug bewegt, verdanken wir de la Cierva. Er versuchte zuerst, das Problem mit Koaxial-Rotoren zu umgehen. Diese Lösung war unbefriedigend, darauf erfand er den halbstarren Rotor mit einem Schlaggelenk. Das Gelenk erlaubt dem voreilenden Blatt, gegenüber dem Rotorkopf anzusteigen. Was den Auftrieb verringert, indem der virtuelle Anstellwinkel reduziert wird.
Damit hatte er das Problem der ungleichen Auftriebsverteilung gelöst und sich zwei neue eingehandelt: Das ansteigende Blatt kommt näher zum Zentrum, erzeugt also weniger Fliehkraft. Und es möchte sich schneller bewegen (Pirouetten-/Corioliseffekt). Beides erzeugt je eine Ausgleichsbewegung pro halbe Rotorumdrehung (two per rev shake), die das ganze Gerät durchschütteln und über kurz oder lang in seine Einzelteile zerlegen würden.
Ersteres wird abfangen, indem die Bewegungsachse des Rotors im Schlaggelenk tiefer gelegt wird. Dadurch wird die Rotormasse hin- und her geschoben. Letzteres muss durch eine geschickte Auswahl von Material und Konstruktion des Mastes ausgeglichen werden. Dieser darf also nicht zu starr sein und darf in den fraglichen Frequenzen keine Resonanzen erzeugen.
Motoranordnung:
Wie bereits erwähnt, kann der Motor hinten (pusher) oder wie bei normalen FW vorn (tractor) angebaut werden. Technisch spricht alles für vorn: Aufrichtmoment, Schwerpunktlage, Effizienz, Lärm, Sicherheit bei einem Crash.
Für hinten spricht nur eines: es ist "sexier". Freie Sicht in ungesiebter Luft. Dafür nimmt der Pilot teilweise gravierende Nachteile in Kauf.
Bei Pusher-Konfiguration bewegt sich der Propeller in turbulenter Luft und arbeitet damit weniger effizient und macht mehr Lärm. Das ist ja auch bei den Entenflüglern so, welche die Motoren hinten haben.
Gravierender sind beim Gyro zwei Effekte, die immer wieder zu früher unerklärlichen Unfällen geführt haben: PIO (pilot induced oscillation) und PPO (power push over).
PPO ist die direkte Folge einer ungünstigen Motor-Anordnung. Um grosse Luftschrauben installieren zu können, wurden die Motoren möglichst hoch am Mast befestigt, teilweise weit über dem Schwerpunkt-Zentrum. Gibt der Pilot nun Gas, nimmt die Maschine die Nase nicht hoch, sondern senkt sie. Im schlimmsten Fall soweit, dass der Rotor nicht mehr von unten angeströmt wird. Das bedeutet für den Rotor das gleiche wie Null-Schwerkraft: Aus dieser Fluglage gibt es kein Entkommen.
PIO ist ein Aufschaukeln, wenn der Pilot übertriebene Korrekturen macht. Was bei einem eigenstabilen Gerät wenig problematisch ist, kann bei einem Gerät mit zu hoher Motorlage schnell zu PPO führen.
Übrigens hat die Pusher-Anordnung doch einen Vorteil: das Ruder ist viel effizienter. Ein kurzer Gas-Stoss und der Gyro dreht sich auch bei praktisch null Fahrt um die Hochachse.
Stabilisator:
Ein Gyro braucht ein Seiten-, jedoch kein Höhenruder. Doch es hat sich gezeigt, dass Geräte ohne stabilisierende horizontale Flächen am Heck im Krisenfall oft überkritisch reagieren. Deshalb sind alle modernen Konstruktionen mit fix montierten Heckflügeln ausgerüstet.
Trimmung:
Gyros können in der Regel sowohl in der Hoch- als auch in der Querachse getrimmt werden. Da der Propeller schon bei Reisegeschwindigkeit ein beträchtliches Rollmoment ausübt, steht man bei Geräten ohne Trimmung um die Hochachse ständig auf den Ruderpedalen.
Kabine:
Die Kabine ist beim Gyro nicht integraler Bestandteil des Designs. Die meisten Geräte in den USA haben aus Gewichtsgründen keine (ein US-UL darf nur 254 lb wiegen), der Pilot sitzt also komplett im Freien. Aerodynamisch ist diese Lösung suboptimal.
Voll verschalte Kabinen, allenfalls sogar mit Heizungen, sind bisher rar und eher bei neuen Konstruktionen zu finden.
Kabinen bei Pusher-Gyros haben praktisch die ganze seitliche Fläche vor dem Schwerpunkt. Das macht sie seitenwind-empfindlich, wenn die Fläche vor dem Schwerpunkt nicht durch eine ausreichend grosse Heckflosse an einem möglichst langen Hebelarm kompensiert wird.
Zubehör:
Natürlich kann ein Freak in einen Gyro jedes erdenkliche Flugzubehör (Bild: Instrumentierung des SparrowHawk) einbauen - was auch gemacht wird. Hier also nur ein paar Spezialitäten:
- Fahrwerk: Grundsätzlich "fährt" der Gyro auf dem Frontrad. Die meisten haben jedoch auch am Heck ein Hilfsrad, weil das Gerät bei Start und Landung oft recht stark angestellt wird und man das Ruder aus technischen Gründen nicht zu weit hinauf legen will.
- Prerotator: Antriebseinheit zum Beschleunigen des Rotors vor dem Start. Da gibt es die bizarrsten Konstruktionen, elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und mechanisch. Selbst kleine, am Mast befestigte Verbrennungsmotoren oder am Rotor befestigte, elektrisch angetriebene Propeller wurden schon erprobt.
Normal sind Flexwellen, die am Motor angeflanscht sind; diese Lösung befriedigt aber nicht richtig, weil das über Flexwellen übertragbare Drehmoment begrenzt ist.
- Jump start: Wer über einen genügend starken Prerotator verfügt und die Einstellwinkel der Rotorblätter verstellen kann, ist in der Lage, einen Gyro aus dem Stand zu starten. Das wurde vor dem Zweiten Weltkrieg, also bevor Helikopter verfügbar waren, in den USA in grossem Stil für postalische Zwecke gemacht. Die Gyros starteten auf Hochhäusern und landeten auch wieder dort.
Flugverhalten:
Das Flugverhalten unterscheidet sich wenig von dem eines Flächenflugzeugs. Allenfalls, dass man Gyros schräg fliegen kann, ohne dass er zu drehen beginnt. Tatsächlich würden unter dem Einfluss verschiedener Drehmomente alle so fliegen, wenn nicht ein um ein paar Grad schräg getrimmter Rotorkopf die Fluglage kompensieren würde.
Der grosse Unterschied ist, dass man im S&L-Flug den Knüppel kaum berührt. Geflogen wird mit dem Gashebel. Der muss entsprechend positioniert sein. Oft neben dem Sitz, am besten so, dass man die Hand ruhen lassen kann, wenn man ihn hält.
Beim Start wird nicht gross auf die Geschwindigkeit geachtet, da interessiert vorab die Rotordrehzahl. Der Landeanflug ist kurz und steil, da dem Piloten bei einem Motorausfall keine Gleitstrecke zur Verfügung steht. Da der Gyro beim Aufsetzen recht seitenwindempfindlich ist, wird oft schräg zur Piste gelandet - was dank der kurzen Rollstrecke kein Problem darstellt.
Gyros dürfen am Boden mit angestelltem, drehendem Rotor nicht abrupt gewendet werden. Sonst schmeisst ihn die Präzessionsreaktion um. Das ist bei weitem der häufigste Unfall bei diesem Gerät.
Auch sonst will so ein Rotor mit Bedacht behandelt werden: Wer beim Start zu schnell beschleunigt und nicht auf die Drehzahl des Rotors achtet, läuft in Gefahr, dass dieser in eine Längsschwingung gerät (blade flapping). Dabei entsteht eine stehende Welle, die den Rotor in Sekundenbruchteilen zerstört. Erst ab einer gewissen Drehzahl gibt die Fliehkraft dem Rotor ausreichend Steifheit.
Einsatz:
Weltweit werden Gyros praktisch nur von Hobbypiloten geflogen. Mit einer Ausnahme: Australien. Dort benutzen die Viehzüchter sie auf ihren riesigen Farmen, um damit das schlachtreife Vieh aus den Herden auszusondern (cattle mustering). Für diesen Einsatz ist der Gyro dank seiner Wendigkeit jedem andern Gerät bei weitem überlegen.
In den USA überlegt die Polizei, Gyros für Verkehrsüberwachung und weitere polizeiliche Aufgaben zu nutzen. Für kostenbewusste Behörden macht das Sinn, da die Gyro-Flugstunde nur ein paar Prozent der eines Helis kostet.
Doch alles in allem sind die Gyro-Piloten immer noch ein kümmerliches Häufchen. Schätzungen gehen von etwa 1000 Aktiven in den USA und maximal weiteren 1000 im Rest der Welt aus.
Noch etwas Theorie:
(Ausführliche Erläuterungen dazu sind hier (Link 'Über Gyrocopter / Tragschraubertechnik) oder in Wikipedia zu finden.)
Autorotation
Warum dreht sich ein Rotor von selbst?
Bei einem Rotor erhöht sich die Geschwindigkeit vom Zentrum zum Blattende kontinuierlich. Entsprechend ändern sich Anströmgeschwindigkeit und Anstellwinkel des Profils ständig. Wird für verschiedene Punkte am Rotor ein Kräfteparallelogramm gezeichnet, zeigt sich, dass in einem gewissen Bereich die resultierende Kraft eine Vorwärtskomponente bezüglich der Bewegungsebene des Rotors hat.
Grob gesagt, produziert das innere Drittel des Rotors vorwiegend Luftwiderstand, das mittlere Vortrieb und das äussere Auftrieb. Das Ganze wird noch komplizierter durch den Umstand, dass sich das voreilende Blatt schneller und mit einem andern Anstellwinkel bewegt. Beim rückeilenden Blatt ist die relative Anströmgeschwindigkeit in der Nähe des Rotorkopfes in einem kreisförmigen Bereich sogar negativ.
Autorotation entsteht nur, wenn der Rotor von schräg unten angeströmt wird. Steht der Rotor durch ein missglücktes Manöver neutral oder gar negativ im Luftstrom, bleiben dem Piloten ein paar wenige Sekunden zum Reagieren. Bei negativer Belastung verringern sich Drehzahl und Auftrieb schlagartig; das Gerät liesse sich nur aus grosser Höhe überhaupt noch abfangen.
Präzession
Im Text heisst es, der Gyro werde "durch Kippen des Rotorkopfes gesteuert". So fühlt es sich an, so sieht es auch aus.
Doch: Ein Rotor ist ein Kreisel. Mit gegen 30 kg Gewicht und über 5 Umdrehungen pro Sekunde ein ganz schön träger sogar. Von den paar Newtonmetern, die ein Pilot via Steuergestänge auszuüben vermag, lässt sich der nicht gross beeindrucken. Und falls doch, würde eher Unerwünschtes passieren: Statt die Nase zu heben, würde er seitlich ausbrechen.
Die Ursache davon ist die Präzession. Eine drehende Masse reagiert auf einen Impuls mit einer Phasenverschiebung von 90°. Dass sich der Gyro doch kraftsparend und präzise Lenken lässt, ist wiederum dem Schlaggelenk zu verdanken.
Der Rotor(-kreisel) wird also gar nicht direkt bewegt, der Impuls wird vom Rotorkopf jeweils in dem Moment weitergeleitet, wo dieser dank dem Schlaggelenk vom Rotor kräftemässig entkoppelt ist. Dank dem veränderten Anstellwinkel 'fliegt' sich der Rotor selber in die gewünschte neue Lage.
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Letzte Änderung: Januar 2012