Es sind alles Hubschrauber, aber warum gibt es so viele Flugkonfigurationen? Was sind die Merkmale?

Im Vergleich zu Starrflügelflugzeugen können Hubschrauber senkrecht starten und landen und sind in der Lage, in niedrigen und extrem niedrigen Höhen zu fliegen, „so hoch wie ein Baum“. Sie können eine herausragende Rolle in der industriellen Produktion, der Katastrophenhilfe, bei militärischen Operationen usw. spielen. Länder auf der ganzen Welt legen großen Wert auf die Entwicklung von Hubschraubern, aber es gibt nicht viele Länder, die Hubschrauber unabhängig entwickeln und produzieren können. Die Forschung und Entwicklung von Hubschraubern muss mehrere Phasen durchlaufen, darunter Demonstration, Schemaentwurf, technische Entwicklung, Fertigstellung und Produktion. Während der Entwurfsphase ist die Festlegung der Konfiguration des Hubschraubers eine sehr wichtige Aufgabe. Derzeit gibt es viele ausgereifte Helikopterkonfigurationen, die auf verschiedene Hubschrauber angewendet werden. Welches ist perfekter?

1. Einzelrotor mit Heckrotorkonfiguration

Ein Einzelrotor mit Heckrotor ist die traditionellste Konfiguration eines Hubschraubers. Der waagerecht über der Nase angebrachte Hauptrotor sorgt für den Auftrieb, der nahezu senkrecht am Heck angebrachte Heckrotor ist montiert. Der Heckrotor erzeugt keinen Auftrieb und dient hauptsächlich dazu, das Gegendrehmoment auszugleichen, das beim Drehen des Hauptrotors am Rumpf entsteht. Obwohl der Durchmesser des Heckrotors viel kleiner ist als der des Hauptrotors, ist er unverzichtbar. Fällt der Heckrotor während des Fluges aus, kann der Helikopter seine Position nicht halten, der Rumpf gerät in eine Spirale und die Flughöhe sinkt rapide.

Abbildung 1: Chinas Z-20-Hubschrauber (Fotoquelle: Tencent)

Die Konfiguration mit einem Rotor und einem Heckrotor ist relativ einfach und die Technologie ist relativ ausgereift, daher ist diese Konfiguration der am häufigsten verwendete Hubschraubertyp. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung neuer Avionikausrüstung und neuer Materialtechnologien, die kontinuierliche Optimierung der Rotorkonfiguration und die Steigerung der Motorleistung gewinnen Einrotorhubschrauber mit Heckrotoren immer mehr an Vitalität.

2. Doppelrotor-Konfiguration

Der Heckrotor eines Einrotor-Helikopters mit Heckrotor erzeugt zwar keinen Auftrieb, verbraucht aber etwa 10 % bis 15 % der Motorleistung. Daher entstanden Doppelrotor-Helikopter mit zwei gegenläufigen Rotoren, die sich gegenseitig in ihrer Drehkraft ausgleichen können und keinen Heckrotor benötigen.

1. Tandem-Zwillingsrotoren

Derzeit ist weltweit nur ein Tandemrotor-Helikopter im Einsatz, nämlich der US-amerikanische CH-47 Chinook-Helikopter. Der CH-47 ist ein echter Hingucker und hat ein unverwechselbares Aussehen. Über dem Rumpf befinden sich zwei in Reihe geschaltete Rotoren und kein Heckrotor. Die beiden Triebwerke befinden sich im hinteren Teil des Rumpfes. Der hintere Rotor ist höher als der vordere Rotor installiert, um eine Kollision zwischen den beiden Rotorblättern zu vermeiden.

Abbildung 2 US-amerikanischer CH-47 Chinook-Hubschrauber (Quelle: Tencent)

Im Vergleich zu einem Einzelrotor verbessert die Doppelrotoranordnung vorne und hinten die Flugstabilität. Der Flug wird durch Veränderungen des Schwerpunkts des Helikopters weniger beeinflusst. Insbesondere das Schweben ist stabiler und kann den Anforderungen spezieller Kampfszenarien gerecht werden. Die längere Kabine bietet mehr Platz und kann mehr Personen und Vorräte transportieren. Allerdings ist die Forschungs- und Entwicklungsschwelle für Tandem-Doppelrotor-Helikopter hoch, die Technologie komplex und die Investitionen groß. Darüber hinaus ist das Steuerungssystem des Hubschraubers relativ komplex und die Anforderungen und Kosten für die Geräteunterstützung sind hoch.

(II) Koaxiale Doppelrotoren

Bei einem koaxialen Doppelrotor sind zwei Rotoren auf derselben Drehwelle montiert, oben und unten angeordnet und mit entgegengesetzter Drehrichtung, sodass sich die gegenläufigen Drehmomentkräfte gegenseitig ausgleichen können. Die russischen Hubschrauber Ka-28 und Ka-52 verwenden beide dieses Layout.

Abbildung 3: Von China importierter K-28-Hubschrauber (Fotoquelle: NetEase)

Durch den Wegfall des Heckrotors kann die Länge des Tandem-Doppelrotor-Helikopters deutlich verkürzt werden und die Bauweise ist kompakter. Durch die beiden Rotoren wird die Flugstabilität des Helikopters verbessert, wodurch er sich sehr gut für den Einsatz als Schiffshubschrauber eignet. Allerdings sind die beiden Rotoren oben und unten angeordnet, was eine höhere Bauhöhe des Helikopters erfordert. Der russische Ka-52 ist 5,4 Meter hoch und damit fast 1–2 Meter höher als ein gewöhnlicher Hubschrauber. Wenn sich die beiden Rotoren drehen, kommt es zu gegenseitigen Luftstromstörungen. Unter bestimmten besonderen Umständen, beispielsweise bei einer plötzlichen Windänderung während des Fluges, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Rotorblätter schlagen, sich verformen und kollidieren, erheblich an, was die Flugüberlastung dieses Hubschraubertyps direkt einschränkt.

(III) Kreuzscheiben-Doppelrotoren

Der Kreuzhubschrauber mit zwei Rotoren verfügt über zwei Rotorwellen, die horizontal angeordnet und in einem bestimmten Winkel nach außen geneigt sind. Die beiden Rotoren sind kreuzförmig über dem Rumpf angeordnet und werden durch Zahnradverzahnung synchron zur Rotation gesteuert, so dass unter normalen Umständen keine Kollisionen zu befürchten sind. Der Hubschrauber, der derzeit diese Konfiguration verwendet, ist der amerikanische K-MAX-Hubschrauber.

Abbildung 4 US-amerikanischer K-MAX-Helikopter (Quelle: Tencent)

Dieser ungewöhnliche Hubschrauber verfügt über einige der Flugvorteile eines Hubschraubers mit zwei Rotoren, wird jedoch vom Militär nicht häufig eingesetzt. Es wird hauptsächlich für Hebe- und Förderaufgaben im Hochbau, in der Vermessung, im Bergbau, in der Forstwirtschaft und in anderen Bereichen eingesetzt. Dieser Flugzeugtyp verfügt über zwei seitlich angeordnete Rotoren, was zu einem höheren aerodynamischen Widerstand und einer komplexeren Flugsteuerung führt.

3. Hybridkonfiguration

Die Hybridkonfiguration ist eine speziellere Konfiguration und auch ein Entwicklungstrend für die Zukunft.

1. Parallele Doppelrotoren plus Neigung

Bei einem Parallel-Twin-Rotor-Flugzeug sind die beiden Rotoren an einem Helikopter nebeneinander, links und rechts angeordnet, gegenläufig rotierend und in der Mitte durch eine Transmissionswelle verbunden. Der V-22 Osprey, der derzeit in den Vereinigten Staaten im Einsatz ist, verwendet diese Konfiguration. Der Rotor kann mit dem Motor gekippt werden, wodurch er von einem horizontalen in einen vertikalen Zustand wechselt und der Hubschrauberflugmodus in einen Propellerflugmodus geändert wird.

Abbildung 5: Flugstatus der US-amerikanischen V-22 Osprey

Ein Hubschrauber dieser Konfiguration wird auch als Kipprotorflugzeug bezeichnet und ist eigentlich kein Hubschrauber im eigentlichen Sinne mehr. Durch den Propellerflugmodus kann die Fluggeschwindigkeit deutlich erhöht werden. Die Höchstgeschwindigkeit des Osprey-Helikopters kann 500 km/h überschreiten. Allerdings liegt die Unfallrate dieses Hubschraubers bei über 6 pro 100.000 Stunden. Der jüngste Unfall ereignete sich am 27. August 2023, als ein US-Kipprotorflugzeug vom Typ MV-22B Osprey während einer Übung in Australien abstürzte. Darüber hinaus sind die Forschungs- und Entwicklungskosten, die Produktionskosten und die Betriebskosten des Flugzeugs sehr hoch; die Kosten für eine einzelne Maschine betragen 60 Millionen US-Dollar.

Im Jahr 2019 verbesserte die US-amerikanische Bell Corporation ein Kipprotorflugzeug vom Typ V280 auf Basis der V-22 für das zukünftige Langstrecken-Kampfflugzeugprojekt der US-Armee.

Abbildung 6: Verifizierungsflug des US-amerikanischen V-280-Flugzeugs ** (Fotoquelle: Sohu.com)**

Der V-280-Helikopter kann mit doppelter Geschwindigkeit und Reichweite fliegen als herkömmliche Hubschrauber. Im Vergleich zum V-22 ist der V-280 mit einem Kippgetriebe ausgestattet, das eine Winkeländerung der Rotorantriebswelle ermöglicht, sodass der Motor beim Kippen des Rotors unverändert bleibt.

(II) Tandem-Doppelrotoren plus Heckstrahlruder

Ein weiterer Hubschrauber, der im zukünftigen Langstrecken-Kampfflugzeugprojekt der US-Armee mit dem V-280 konkurriert, ist der S-97-Hubschrauber. Das Flugzeug wird von Sikorsky hergestellt und verwendet einen Tandem-Doppelrotor-Hubschrauber. Im Gegensatz zum russischen Tandem-Doppelrotor-Hubschrauber ist der S-97 jedoch mit einem Hecktriebwerk ausgestattet.

Abbildung 7: Verifizierungsflug eines US-amerikanischen S-97-Flugzeugs (Fotoquelle: Tencent)

Der S-97 integriert die neuesten Technologien in den Bereichen Fly-by-Wire-Steuerung, Flugsteuerung, Systemintegration, fortschrittliche Materialien usw., reduziert die Rumpfgröße, verringert das Rauschsignal, kann eine Geschwindigkeit von über 400 Kilometern pro Stunde erreichen und in Plateau- und Hochtemperaturumgebungen fliegen.

Insgesamt hat jede Hubschrauberkonfiguration ihre eigenen Stärken und Schwächen. Beim Entwurf eines Hubschraubers müssen Sie zahlreiche Aspekte wie Technologie, Kosten, Lebensdauer und Sicherheit umfassend berücksichtigen, bevor Sie eine Auswahl treffen. Welche Helikopterkonfiguration ist Ihr Favorit?

Produziert von: Popular Science of Chinese Military Technology

Produzent: Guangming Online Science Department

Autor: Lu Ying (Militärexperte)

Rezensionsexperte: Liang Chunhui (Militärexperte, militärwissenschaftlicher Autor)

Planung: Jin He