Wie fliegen Helikopter?

Von Bernoulli zum Hubschrauber: Wie Helikopter fliegen können

Gestern habe ich ab der Funktion eines Helikopters gestaunt. Fliegt der wirklich nur von der Kraft der Propeller?

Die ist die Leserfrage der Woche. Und ganz kurz vorweg genommen: Die Antwort lautet „Ja“.

In der Tat ist es ein atemberaubendes Spektakel, wenn sich solch eine unförmige Maschine sich unter grossen Getöse wie von Zauberhand in die Lüfte erhebt. Und spätestens, wenn die Schweizer Armee am Züri-Fest ihre gewaltigen „Super-Pumas“ zur Flugshow entsendet, wird diese Frage vielen Zuschauern auf der Zunge liegen: Wie fliegt so ein Heli bzw. Hubi (vom in Deutschland gebräuchlicheren „Hubschrauber“)?

Seit wann gibt es Helikopter?

Das physikalische Phänomen, das Hubschrauber zum Fliegen bringt, ist schon seit Jahrhunderten bekannt. So hat schon Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert seine Idee zu einer „Flugschraube“ skizziert. Diese Bezeichnung kommt der Bedeutung des Wortes „Helikopter“ übrigens näher als „Hubschrauber“: Es setzt sich nämlich aus den griechischen Wörtern „helix“ für Schraube und „pteron“ für Flügel zusammen. Ein „heliko-pteron“ wäre damit so etwas wie ein Schraubflügler – oder eben eine Flugschraube.

Während die Jahrhunderte vergingen, haben sich viele Erfinder an der Idee der Flugschrauben versucht – darunter mit Jakob Degen übrigens einer, der mit mir den bürgerlichen Namen teilt. Da eine Schraube zum Fliegen jedoch einen leistungsfähigen Antrieb braucht, wurden Helikopter erst im 20. Jahrhundert mit dem Aufkommen des Verbrennungsmotors wirklich nutzbar. Den entscheidenden Kick erfuhr die Hubschrauber-Forschung wie so oft durch das Militär während der beiden Weltkriege. So kamen bereits zum Ende des zweiten Weltkriegs die ersten Militär-Helikopter in Serie zum Einsatz.

Wie fliegt ein Hubschrauber?

Die meisten zivilen Helikopter sind heutzutage einheitlich aufgebaut: Über dem Rumpf befindet sich ein grosser, mehrflügeliger Rotor, der in waagerechter Ausrichtung um eine senkrechte Achse kreist. Dazu kommt ein „Schwanz“, der nach hinten aus dem Rumpf ragt und meist mit einem kleineren Heck-Rotor bestückt ist.

Für das Fliegen ist der grosse Haupt-Rotor zuständig. Der besteht nämlich aus mehreren Rotor-Blättern, die im Querschnitt – also wenn man sie kurzerhand absägen würde – etwa so aussehen:

Querschnitt durch ein Rotorblatt

By Dhaluza (http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PSU-90-125.PNG) [GFDL or CC-BY-SA-3.0], via Wikimedia Commons

Die Skizze erinnert nicht umsonst an eine Flugzeug-Tragfläche. Flugzeuge und Hubschrauber nutzen nämlich das gleiche physikalische Phänomen zum Fliegen: Der Bernoulli-Effekt.

Wie Flugzeuge fliegen

Ein Flugzeug wird durch Propeller oder Düsen-Triebwerke geradeaus bewegt – und die Tragflächen bewegen sich mit dem stumpfen Ende voran mit. Dabei durchschneiden sie die Luft, welche als „Fahrtwind“ oberhalb und unterhalb der Tragfläche entlangströmt. Durch die Wölbung ist der Weg obenherum allerdings länger als untenherum. Dabei bewegen sich alle Teile der Tragfläche (und des Flugzeugs) mit derselben Geschwindigkeit – legen also in einer bestimmten Zeit dieselbe Strecke zurück. Die „Hälften“ der Luft, die von der vorderen „Kante“ der Tragfläche durchschnitten wird, müssen so an der hinteren Kante nach dem gleichen Zeitabschnitt wieder zusammenfinden. Das bedeutet: Die Luft muss obenherum schneller strömen als untenherum, um den Umweg um die Wölbung zu schaffen.

Die schneller strömende Luft führt zu einem Überdruck unterhalb der Tragfläche im Verhältnis zum Druck darüber (bzw. zu einem Unterdruck oben im Verhältnis zum Druck unten). Wenn dieser Überdruck bzw. der „Auftrieb“ durch eine ausreichend schnelle Strömung stark genug wird, um die Schwerkraft zu überwinden, drückt er mit den Tragflächen das gesamte Flugzeug nach oben – es fliegt!

Und beim Heli dreht sich alles im Kreis

Die Rotorblätter eines Hubschraubers funktionieren genauso: Der Druckunterschied, welcher entsteht, wenn die Rotorblätter durch die Luft schneiden, hebt den Rotor mitsamt dem daran hängenden Helikopter empor. Der entscheidende Unterschied zum Flugzeug besteht darin, dass die Rotorblätter sich im Kreis bewegen. Dadurch können sie einen Auftrieb erzeugen, ohne dass der Hubschrauber sich vorwärts bewegen muss. Er kann deshalb senkrecht starten und landen und – wenn es dem Piloten gelingt, die Schwerkraft durch den Auftrieb genau auszugleichen – sogar in der Luft „stehen“!

Da man aber letztlich auch mit dem Helikopter von A nach B gelangen möchte, hat der Pilot die Möglichkeit, seine Rotorblätter so zu kippen, dass der Rotor das Fluggerät nicht senkrecht, sondern leicht schräg nach oben hebt. So kommt zur Bewegung durch den Auftrieb nach oben ein nach vorn gerichteter Anteil – also ein Vortrieb. Je nach Einstellung der Rotorblätter kann dieser Anteil auch nach links, rechts oder hinten gerichtet sein – und der Heli fliegt seitswärts oder rückwärts!

Wozu der Heckrotor dient

Doch dieser super-manövrierfähige Antrieb hat einen Haken: Wenn man einen Kreisel bzw. Rotor auf einen frei schwebenden Gegenstand montiert, versetzt der sich drehende Kreisel unweigerlich auch den Gegenstand in eine Drehbewegung. In einer einfachen Kanzel mit Hubschrauber-Rotor würde dem Piloten deshalb ganz schnell übel und er hätte keine Chance, die Kontrolle über sein Gefährt zu behalten.

Deshalb haben die meisten Helikopter einen Ausleger am Rumpf, dessen Ende mit einem kleineren, senkrecht ausgerichteten Rotor ausgestattet ist. Dieser erzeugt nach dem gleichen Prinzip der Hauptrotor einen Druckunterschied, der zur Bewegung führt – seiner senkrechten Ausrichtung wegen aber nicht aufwärts, sondern vorwärts – und zwar der Kreisel-Bewegung des Rumpfes genau entgegengesetzt! So verhindert der Heckrotor, dass der Hauptrotor den ganzen Rumpf in Drehung versetzt.

Sehr eindrücklich wird das in vielen Actionfilmen dargestellt: Wenn dort einem Hubschrauber der Heckrotor weggeschossen wird, fängt der Rumpf unter dem unbeschädigten Hauptrotor an zu kreiseln und das Ganze stürzt hollywoodmässig spektakulär in die nächste Haus- oder Bergwand.

Der Heckrotor ist übrigens der lauteste Teil eines Helikopters, weshalb auch andere Lösungen für das Kreiselproblem gefunden und umgesetzt wurden.

Dazu gehören zum Beispiel zwei Hauptrotoren an der selben Antriebsachse, die sich in entgegengesetzter Richtung drehen. So hindern sich die beiden Rotoren gegenseit daran, den Rumpf in Drehung zu versetzen. Eine andere Lösung sind zwei oder mehr räumlich voneinander getrennte Rotoren mit einander ausgleichenden Drehrichtungen.

Flugschrauber im Kleinformat

Eine Hubschrauber-Variante aus den 1920er Jahren, die sich während des zweiten Weltkriegs ihrer komplizierten Bauweise wegen nicht durchsetzen konnte, erlebt heute im Kleinformat ein regelrechtes Revival: Der Quadrocopter. Dieses Fluggerät besitzt vier Rotoren an den vier „Ecken“ des Vehikels. Je zwei und zwei drehen sich in entgegengesetzter Richtung und halten das Fluggerät nach Wahl sehr ruhig oder äusserst manövrierfähig in der Luft.

Heute begegnet einem dieses Fluggerät in der Regel unbemannt – als Drohne, wie man sie mittlerweile in jedem Kaufhaus erwerben kann, um den Helikopterflug im Kleinformat zu beobachten und selbst auszuprobieren.

Und seit ihr schonmal mit einem richtigen Helikopter geflogen? Oder habt ihr eine Drohne selbst gesteuert?

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