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Hintergrund: Wie ein Hubschrauber fliegt (Igor Sikorsky)

Rotierende Blätter sorgen fürs Steigen

  • Ein gelber ADAC-Hubschrauber mit Rettungsteam in den Bergen. Einsatz in den Bergen; Rechte: mauritius images: Simon Katzer

Eine schnelle Rettungsaktion in den Bergen ohne Hubschrauber? Nicht möglich. Denn nur ein Hubschrauber kann quasi überall senkrecht starten und landen, wo eine ebene Fläche ist, und er kann in der Luft stehen bleiben. Im Gegensatz zum Jumbo-Jet mit starren Flügeln gehört der Hubschrauber zu den Drehflüglern: Während das Starrflügelflugzeug durch Fahrt - also durch Geschwindigkeit - Auftrieb erhält, liefern beim Hubschrauber die rotierenden Blätter die aufwärts gerichtete Kraft. Durch die Drehung der Rotorblätter, die gekippt sein müssen, wird beim Hubschrauber ausreichend Auftrieb erzeugt. Ein Jumbo-Jet hingegen muss so schnell sein, dass seine starren Flügel im Luftstrom für Auftrieb sorgen. Grundsätzlich kann man sagen: Je schneller sich ein Flugzeug vorwärts bewegt, desto größer ist der Auftrieb.

Auftrieb durch Asymmetrie

  • Porträt des Schweizer Physikers Daniel Bernoulli (Stich eines unbekannten Künstlers). Der Physiker Bernoulli (1700-1782); Rechte: mauritius images

Auftrieb kommt – ganz allgemein – folgendermaßen zustande: Tragflächen haben im Querschnitt eine bestimmte Form, die man Profil nennt. Dieses Profil ist asymmetrisch. Die Flügelunterseite ist fast gerade, die Oberseite gewölbt. Bewegt sich die Tragfläche vorwärts, teilt das Profil den Luftstrom in einen oberen und einen unteren Teil. Der Luftstrom hat oben durch die Wölbung einen längeren Weg als unten zurückzulegen. Dadurch erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit oben. An dieser Stelle kommt nun die "Bernoulli-Gleichung" zum Tragen: Der Schweizer Physiker Daniel Bernoulli fand im 18. Jahrhundert heraus, dass strömende Flüssigkeiten und Gase einen geringeren Druck auf ihre Umgebung ausüben als ruhende. Es gilt, dass der Druck abnimmt, je höher die Geschwindigkeit ist. Für die Tragfläche bedeutet das: Oben ist die Geschwindigkeit des Luftstroms höher und somit der Druck geringer als unten - es entsteht Auftrieb (Aufschlussreich in diesem Zusammenhang: Arbeitsblatt „Sikorsky_Info“ im Bereich „Unterricht“). Allerdings reichen diese Kräfte noch nicht aus, um ein Flugzeug zum Fliegen zu bringen. Die Flügel müssen im Luftstrom leicht schräg stehen, wodurch die Luft nach unten abgelenkt wird. Das führt zu einem Überdruck auf der Flügelunterseite, was den Gesamtauftrieb erhöht.

Auf den Winkel kommt es an

  • Zwei Soldaten sitzen auf dem Rotor eines Kampfhubschraubers. Rotor eines Kampfhubschraubers; Rechte: dpa Picture-Alliance

Dieses Prinzip der gekippten Tragflächen wird auch beim Hubschrauber verwendet. Hier haben die Rotorblätter ein asymmetrisches Profil. Diese sind waagerecht zum Hubschrauber-Rumpf angeordnet, werden durch einen Motor angetrieben und müssen durch den Piloten gekippt werden, um – wie beim Flugzeug – für genügend Auftrieb zum Aufsteigen zu sorgen. Dazu werden alle Rotorblätter gleichmäßig so gekippt, dass sich der Winkel zum Luftstrom erhöht. Das nennt man dann kollektive Blattverstellung. Je steiler die Rotorblätter gekippt sind, desto größer ist der Winkel und desto größer der Auftrieb – allerdings nur bis zu einem kritischen Punkt, bei dem sich Wirbel an der Eintrittskante der Rotorblätter bilden: Dann reißt die Strömung ab und es gibt keinen Auftrieb mehr.

Bitte nicht durchdrehen

Nun ergibt sich jedoch ein Problem: Da in der Physik jede Aktion eine Reaktion hervorruft (drittes Newtonsches Axiom), dreht sich der Rumpf des Hubschraubers ohne eine ausgleichende Kraft entgegen der Drehrichtung des Rotors. Um dies zu verhindern, haben die meisten Hubschrauber einen senkrecht drehenden Rotor am Heck, der diesem Drehmoment entgegen wirkt. Darüber hinaus gibt es Hubschrauber mit zwei gegenläufig drehenden Hauptrotoren, so dass sich deren Drehmomente gegenseitig aufheben.

Eine wackelige Angelegenheit

Im Gegensatz zu einem Luftfahrzeug mit starren Flügeln ist ein Hubschrauber nicht eigenstabil, was unter anderem daran liegt, dass durch das Drehen der Rotoren Kräfte entstehen, die bei einem Flugzeug nicht vorhanden sind. Vor allem im Schwebeflug und im langsamen Flug tendiert er dazu, seine Fluglage zu verlassen, sich zu neigen oder zu drehen. Diesen Bewegungen muss der Pilot ständig entgegensteuern. Erst bei einer Fluggeschwindigkeit von mehr als 100 Stundenkilometern verhält sich ein Hubschrauber ähnlich wie ein Starrflügelflugzeug und liegt relativ stabil in der Luft.

Steuern mit beiden Händen und Füßen

  • Cockpit des Euro-Copters, rechts sind Steuerknüppel und Pedale zu erkennen. Cockpit mit Steuerinstrumenten; Rechte: dpa Picture-Alliance: Arno Burgi

Damit sich ein Hubschrauber nicht nur nach oben, sondern auch nach vorne bewegt, wird die Ebene des Hauptrotors nach vorne geneigt. Gesteuert wird nach gleichem Prinzip: Die Rotorebene wird in die Richtung geneigt, in die der Hubschrauber fliegen soll. Was einfach klingt, ist jedoch ein sehr komplexer Vorgang, der dem Piloten sehr viel Fingerspitzengefühl abverlangt. Denn es gibt drei verschiedene Steuer, die mit beiden Händen und Füßen bedient werden. Was die Sache kompliziert macht: Sobald der Pilot an einem Steuerinstrument etwas verändert, muss er an den beiden anderen ebenfalls korrigieren.

Was die drei Steuer bewirken

  • Steuerorgane und Rotorkopf, Rechte: dpa Picture-Alliance Schematische Darstellung der Steuerorgane und des Rotorkopfs eines Hubschraubers.

Der Steuerknüppel, der Cyclic, wird verwendet, um den Hubschrauber nach rechts, links, vorne oder hinten zu bewegen. Bei der Bewegung nach links und rechts erfolgt keine Drehung um die Hochachse, sondern eine Seitwärtsbewegung in die gewünschte Richtung. Die Cyclic wird grundsätzlich mit der rechten Hand bedient.

Mit der linken Hand wird der Hebel neben dem Steuerknüppel, der Collective, betätigt. Er sorgt dafür, dass sich der Winkel aller Rotorblätter im Verhältnis zur Luft verändert. Das beeinflusst den Auftrieb. Wird der Collective nach oben gezogen, werden die Anstellwinkel aller Rotorblätter gleich stark vergrößert. Der Auftrieb nimmt damit zu, und der Hubschrauber steigt. Wenn der Pilot den Collective nach unten drückt, verkleinert sich der Anstellwinkel aller Rotorblätter, wodurch der Hubschrauber wegen des geringeren Auftriebs sinkt.

Mit den Pedalen, den Pedals, kann der Hubschrauber um die Hochachse gedreht werden. Wenn der Pilot sie bedient, wird der Anstellwinkel aller Blätter am Heckrotor gleich stark geändert. Dadurch erhöht oder verringert sich der Schub des Heckrotors. Er gleicht das Drehmoment des Hauptrotors nicht mehr komplett aus – und der Hubschrauber dreht sich um die eigene Achse.

Flexibel, aber langsam

  • Der Kampfhubschrauber „Tiger“, kopfüber fliegend, während einer Flugschau. Luftige Kapriolen, Rechte: dpa Picture-Alliance: Ralf Hirschberger

Was die Flexibilität angeht, ist der Hubschrauber dem Starrflügelflugzeug überlegen. Dafür erreicht er dessen Flugleistungen bei weitem nicht: Die Höchstgeschwindigkeit liegt zwischen 200 und 300 Stundenkilometern; sie wird durch die Aerodynamik der Rotorblätter begrenzt. Nur einige Kampfhubschrauber können schneller als 350 Kilometer pro Stunde fliegen. Der Geschwindigkeits-Rekord: 400,87 Stundenkilometer, aufgestellt am 11. August 1986. Ein Jumbo-Jet kann dagegen ohne Probleme mehr als die dreifache Entfernung pro Stunde zurücklegen; der Rekord eines Düsenflugzeugs beträgt 3750 Stundenkilometer, aufgestellt wurde er bereits im Jahr 1965. Auch die mögliche Flughöhe ist beim Hubschrauber begrenzt und beträgt normalerweise etwa 5000 Meter. Einzelne Modelle können bis zu 9000 Meter erreichen. Der Höhenrekord liegt bei 13.716 Metern und wurde mit einem darauf optimierten Hubschrauber erreicht. Als normales Transportmittel ist der Hubschrauber wenig geeignet, da sein Kerosin-Verbrauch bei gleicher Zuladung immer größer als der eines Starrflügelflugzeugs ist.

Wofür Hubschrauber genutzt werden

  • Hubschrauber mit Rettungsseil, an dem eine Person hängt, fliegt über einem gekenterten Schiff Rettung aus der Luft; Rechte: dpa: Frank Perry

In Mitteleuropa wird der Hubschrauber am häufigsten in der Luftrettung eingesetzt. So gibt es allein in Deutschland über 50 Stützpunkte von Rettungshubschraubern. Außerdem werden Hubschrauber verwendet, wenn es darum geht, Menschen oder Material an schlecht erreichbare Orte zu bringen – beispielsweise zu Bohrinseln oder zu Bauprojekten im Hochgebirge. Im Bereich Film und Fernsehen kommen Kleinhubschrauber als fliegende Kamerakrane zum Einsatz und ermöglichen so Kamerafahrten, die sonst nur mit wesentlich höherem Aufwand oder gar nicht umsetzbar wären. Darüber hinaus werden Hubschrauber militärisch genutzt: Ein typisches Einsatzgebiet ist beispielsweise die Panzerabwehr durch Kampfhubschrauber.

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Grafik zur Zeitreise Fliegen; Rechte: WDR Multimedial

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