Wingtips an Helikopter Rotorblättern

Posted by Unterwegs mit Pascal on Wednesday, 2024-01-31
Posted in [Aviation][Reisen][Schule]

Ihr habt sicherlich alle schon einmal ein Flugzeug gesehen, oder sogar in einem gesessen. Dabei sind euch bestimmt auch die nach oben gebogenen Ecken an den Enden der Flügel aufgefallen. Diese nennt man “Winglets”. Die Nutzung dieser Winglets führen zu einem geringeren Geräuschpegel, einem geringeren Luftwiderstand und zu weniger Kerosinverbrauch.

Im Rahmen meines Praktikums habe ich zwei Wochen lang viel mit Helikoptern zu tun gehabt. Dabei ist mir aufgefallen, dass einige Helikopter Wingtips an ihren Rotorblättern haben. Das fand ich faszinierend, immerhin kenne ich Wingtips/Winglets eigentlich nur an Flugzeugen.

zwei Airbus EC-135 auf einem Flugplatz, der eine ist gerade am landen, der andere steht schon
zwei Airbus Eurocopter EC-135 auf einem Flugplatz (Foto: andreas160578 @ pixabay)

Was ist der Unterschied zwischen Winglets und Wingtips?

Für alle die nichts mit den Wörtern Winglet und Wingtip anfangen können: hier ein kleiner Einstieg.

Winglets

Du bist sicherlich schon einmal mit dem Flugzeug in den Urlaub geflogen. Wenn du links oder rechts aus dem Fenster schaust, sind dir die Spitzen der Flügel aufgefallen. Diese sind nach oben gebogen. Dafür gibt es gute Gründe.

Dieser Bogen wird Winglet genannt und dient der Reduzierung des Treibstoffverbrauchs durch eine Vergrößerung der Spannweite, während der Flügel gleichzeitig weniger Platz in der Breite einnimmt. Das bedeutet: der Winglet funktioniert wie eine vergrößerte Tragfläche. Diese bringt mehr Auftrieb, was wiederum einen verringerten Treibstoffverbrauch bewirkt.

Winglet einer 737 NG, die Maschine an sich ist in eienem schlechten Zustand, die ehemalige Airline: Southwest
Winglet an der Tragfläche einer 737 NG (Foto: Pascal Scherbaum)

Gleichzeitig nimmt das Flugzeug weniger Platz ein. Das hilft bei größeren Flugzeugen oder an Flughäfen mit kleineren Gates, also Parkpositionen. An Flughäfen steht in der Regel nur ein begrenzter Platz zwischen den Gates zur Verfügung. Flugzeuge wie der Airbus A380 und die neue Boeing 777X haben größere Tragflächen und benötigen daher spezielle Gates. Diese Flugzeuge können nicht überall parken.

Wingtips

Neben den Winglets gibt es auch Wingtips. Die bekannteste Variante sind die Braked Wingtips. Anstatt dass der Flügel senkrecht nach oben gebogen wird, wird hier die Flügelspitze nach hinten verlagert und nur (wenn überhaupt) leicht nach oben gebogen. Dadurch werden die Verwirbelungen verringert, welche am Ende des Flügels entstehen.

Wingtips an Helikopter Rotorblättern

Bei einem Hubschrauber kann man die Enden der Rotorblätter schlecht nach oben stellen. Die Roterblätter drehen sich teilweise mehrere Tausend mal in der Minute, das würde zu sehr starken Belastungen des Materials führen. Außerdem würde die Tragfläche des senkrechten Winglets in den Strom der Luft bei der Vorwärtsbewegung gestellt.

Hier geht man einen anderen Weg: man nutzt die Raked Wingtips. Diese stehen nicht frontal im Wind und können trotzdem den Treibstoffverbrauch und den Geräuschpegel reduzieren. Gleichzeitig müssen sie nicht nach hinten gebogen sein, da sie an keine Gates passen müssen.

Aber warum braucht ein Helikopter überhaupt Wingtips.

Wobei helfen Winglets und Wingtips

Geräuschentwicklung

Beim Rotieren drehen sich die Rotorblätter bis zu mehreren tausend Mal pro Minute. Dabei dreht sich der Rotor immer gleich schnell (die Winkelgeschwindigkeit). Die Rotorblätter hingegen sind an jedem Punkt unterschiedlich schnell. Das äußere Ende des Rotorblattes muss einen weiteren Weg (die Kreisgeschwindigkeit) zurücklegen und weist daher eine höhere Geschwindigkeit auf als ein Punkt am Anfang des Rotorblattes.

Eine höhere Geschwindigkeit bedeutet auch eine höhere Geräuschentwicklung. An den Enden der Rotorblätter wird die Luft dadurch besonders stark komprimiert. Das nächste Rotorblatt muss diese komprimierte Luftblase durchdringen. Dadurch entsteht das laute und typische “Klatschen” des Rotors. Durch die Geschwindigkeit mit der sich die Blätter drehen, nimmt man das als ein durchgängiges Geräusch war.

Geringerer Treibstoffverbrauch

Während der Rotor sich mit hoher Geschwindigkeit dreht, entstehen nicht nur die vielen kleinen und lauten Überschallknalle am Ende des Rotors. Da der Rotor die komprimierten Luftblasen zerschlagen muss, wird mehr Energie für die Drehung des Rotors benötigt. Diese Energie fehlt für den Auftrieb, daher muss insgesamt mehr Energie für den Flug aufgewendet werden.

Winglets sorgen dafür, dass die komprimierte Luft am Ende der Rotorblätter in eine andere Richtung gedrückt wird, weg von der Drehrichtung des Rotors. Bei der nächsten Umdrehung des Rotorblatts trifft dieses daher nicht mehr auf die komprimierten Luftblasen und muss weniger Energie für die Rotorbewegung aufwenden. Außerdem reduziert dies die Geräuschentwicklung, da keine komprimierten Luftblasen zu zerschlagen sind.

Größere Tragfläche

Jetzt gibt es aber auch Helikopter die doch einen Knick nach unten in ihrer Rotorfläche haben. Dabei haben wir doch gerade erst gelernt, dass Winglets bei Helikoptern eigentlich garnicht funktionieren sollen. Warum haben dann diese Helikopter doch einen Bogen?

Auch das lässt sich leicht beantworten. Dieser Knick hat nähmlich einen garnicht so großen Winkel. Maximal 2 Grad. Dadurch hat dieser Knick keinen direkten Einfluß auf den Auftrieb und die Performance.

ein Airbus EC-Tiger, am Ende der Rotorblätter ist gut sichtbar wie das Rotorblatt leicht nach unten gebogen ist. Das sind die Wingtips
Ein EC-Tiger mit gut sichtbaren Raked Wingtips am Ende der Rotorblätter (Foto: ho7dog @ pixabay)

Hat man jetzt einen größeren Rotor dann drehen sich die äußeren Enden der Rotorblätter deutlich schneller. So kann es passieren, dass die Rotorblätter die komprimierte Luft erreichen, bevor diese von den Wingtips weggedrückt werden können.

Angewinkelte Wingtips drücken die Luft nach unten aus dem Weg und damit außer Reichweite der Rotorblätter.

Die Firma Bell ging hier noch einen Schritt weiter: bei einem neuartigen Konzept-Hubschrauber, dem Bell FCX 001, ist ein Drittel des Rotors ein Wingtip. Allerdings anders als bei dem angewinkelten Racked Wingtip, hat der neue Bell ein um 30° nach hinten gedrehtes Rotorblatt. So wird die Luft weg geweht bevor das nächste Rotorblatt um die Ecke kommt und einmal draufschlägt.

Der Heckrotor

Der Heckrotor bei einem Hubschraber hat die gleichen physikalischen Probleme wie der Hauptrotor. Auch dort drehen sich die Rotorblätter schnell, auch dort entstehen Luftverwirbelungen. Außerdem dreht sich der Heckrotor schneller als der Hauprotor und erzeugt damit wesentlich mehr Luftverwirbelungen und Geräusche.

Das Problem kann man reduzieren, indem der Heckrotor in ein Gehäuse gebaut wird. Diese Bauweise nennt man Fenestron. Dieser Rotor muss keinen Auftrieb erzeugen sondern nur die Rotationskräfte des Hauptrotors ausgleichen. Im Gehäuse des Heckrotors entstehen keine langezogenen Luftverwirbelungen am Ende, bzw. diese werden sofort im Gehäuse gebrochen. Außerdem dringt dadurch weniger Lärm nach außen.

ein Airbus EC-145 fliegt über das Meer, Bild wurde von hinten aufgenommen, am Heck sieht man den eingepackten Heckrotor
Ein Airbus EC-135 mit eingepacktem Heckrotor (Foto: viewsonic99 @ pixabay)

Diese Bauweise hat allerdings nicht nur Vorteile: das Gehäuse muss stabil gebaut sein um die Kräfte auszuhalten. Das bedeutet mehr Gewicht und damit höherer Treibstoffverbrauch. Auch entstehen hinter dem Rotor (also seitlich vom Hubschrauber) mehr Verwirbelungen, so dass insgesamt mehr Energie aufgewendet werden muss. Diese Bauweise ist auch nicht für jeden Hubschrauber möglich, sondern wird in der Regel nur bei kleinen Typen eingesetzt.

Zusammenfassung

eine BO 105, ehemaliger Bundeswehr-Hubschrauber, wurde nach der Ausmusterung in Bückeburg aufgestellt
eine BO 105 (Foto: Pascal Scherbaum)

Die meisten - für Menschen - störenden Probleme beim Hubschrauber entstehen durch die Geräuschentwiclung. Diese Geräusche entstehen jedoch nicht durch den Motor oder die Turbine, sondern durch die komprimierte Luft am Ende der Rotorblätter.

Winglets sorgen dafür dass die an den Rotorblättern komprimierte Luft aus dem Weg gedrückt wird. Dadurch wird der Geräuschpegel reduziert.

Als Bonuseffekt wird der Treibstoffverbrauch des Helikopters reduziert.


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