Die Ausbildung zum Hubschrauberführer der NVA - ich hab's erlebt. Geschichte, Technik, Wissen

Triebwerksleistung

Die zum Erreichen eines bestimmten Flugzustandes erforderliche Triebwerksleistung P_erf setzt sich aus mehreren Parametern zusammen. Diese Parameter sind z.T. in der Grafik dargestellt. Die Summe all dieser Parameter ergibt die Kurve für die erforderliche Leistung. Praktisch ist es so, dass die Standschwebe die höchste Leistung erfordert, da hierbei die induzierte Geschwindigkeit v_i eine hohen zu überwindenden induzierten Widerstand bedingt und die Lage des Vektors v_i auch den effektiven Anstellwinkel ungünstig beeinflusst. Insgesamt muss der Gassteigungshebel sehr stark gezogen werden, um einen hohen Einstellwinkel und damit Anstellwinkel zu erreichen. Somit steigen natürlich auch die Widerstandskräfte am Blatt. Mit zunehmender Vorwärtsgeschwindigkeit sinkt die zu überwindende Leistung P_ind, die durch duch die induzierten Geschwindigkeiten hervorgerufen wird. Dagegen steigen die Leistungserfordernisse aus dem Anwachsen des Bewegungswiderstandes des Hubschraubers. In der Summe ergibt sich P_erf für die erforderliche Leistung der Triebwerke (rote Kurve). Daraus wird ersichtlich, dass der Hubschrauber bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten unterschiedliche Triebwerksleistung benötigt. Die minimale Leistung ist bei V_spar erforderlich, welche bei der Mi-2 bei ca.120km/h liegt.

Die verfügbare Triebwerksleistung, die hier als Waagerechte dargestellt ist, hängt nicht von der Fluggeschwindigkeit ab. Dagegen ist sie durch die Flughöhe in ihrer Größe bestimmt. Die Triebwerke können Leistung nur in Abhängigkeit von der Luftdichte erbringen, da der Massendurchsatz interessant ist. Die Luftdichte ist direkt abhängig vom Luftdruck und der Temperatur. Während eine Temperaturverringerung mit der Höhe eine Erhöhung des Verdichtungsgrades und damit eine Leistungsvergrößerung des Triebwerkes bewirkt, so nimmt die Luftdichte mit der Höhe ab und vermindert den Massendurchsatz des Triebwerkes in weitaus größerem Maße. Je größer die Flughöhe und je höher die Außentemperatur ist, umso geringer wird die Triebwerkleistung ausfallen. Mit der Höhe sinkt also der Bereich der erfliegbaren Geschwindigkeiten des Hubschraubers (im Diagramm ließe sich das darstellen durch ein Verschieben der Waagerechten der verfügbaren Leistung nach unten), in der Gipfelhöhe ist eigentlich nur noch mit der Sparfluggeschwindigkeit zu fliegen. Aus diesem Grunde ist praktisch in großer Höhe keine Standschwebe zu halten (zumindest nicht mit der Leistungsfähigkeit der Triebwerke einer Mi-2 oder Mi-8).

Hubschraubertriebwerke weisen stets eine bestimmte Höhenkennlinie auf: diese gibt an, wie sich in Abhängigkeit von der Flughöhe die Verfügbare Leistung und der spezifische Kraftstoffverbrauch ändern. Auf Grund dieser Charakteristik unterscheidet man "Bodentriebwerke" und "Höhentriebwerke". Während Bodentriebwerke ihre höchste Leistung in Meereshöhe erbringen, wird bei Höhentriebwerken ein Optimierung bis in größere Höhen vorgenommen. Solche Triebwerke können z.B. in 2000m Höhe ihre volle Leistung abgeben, sind damit aber für den Betrieb in geringen Höhen überdimensioniert. Höhentriebwerke dürfen daher unterhalb ihrer Auslegungshöhe nicht mit ihrer überschüssigen Leistung genutzt werden, die sie in der Lage wären abzugeben. Ursache dafür sind hauptsächlich mechanische Probleme in der Kraftübertragung (Hauptgetriebe), da sie für diese übergroßen Leistungen nicht ausgelegt sind. In der Praxis werden daher Begrenzer für die Leistung in das Triebwerk eingebaut; diese Reglerpumpen realisieren auch die notwendige Leistungserhöhung mit steigender Höhe über eine vermehrte Kraftstoffzufuhr. Die erhöhte Gastemperatur gleicht dabei den Leistungsverlust durch die sinkende Luftdichte aus. Über der Auslegungshöhe sinkt die Leistung aus den bereits beschrieben Ursachen.

Die erreichbare Flughöhe ist nicht nur von der verfügbaren Trieb­werks leistung abhängig. Eine Gipfel höhe ergibt sich ebenfalls aus der überhaupt möglichen Auftriebs­erzeugung der Trag schraube. Da mit zunehmender Höhe die Luftdichte geringer wird, verringert sich auch der Massendurchsatz der Tragschraube. Der Massendurchsatz der Tragschraube wird zwar durch einen größeren Einstell- und Anstellwinkel gesteigert, jedoch funktioniert dies nur bis zum maximalen Anstellwinkel, da danach die Auftriebsbeiwerte des Profils wieder schlechter werden und schließlich die Strömung ganz abreißt. In der Praxis wird jedoch die Grenze zu aller erst durch die verfügbare Triebwerksleistung bestimmt: um einen höheren Massendurchsatz zu erreichen und damit die Gewichtskraft des Hubschraubers wieder mit Auftrieb auszugleichen, wäre eine weitere Erhöhung des Einstell- und Anstellwinkels (was einem Ziehen des Gassteigungshebels entspricht) erforderlich. Die Erhöhung des Einstellwinkels erhöht allerdings auch den Widerstand, zu dessen Überwindung mehr Triebwerksleistung erforderlich wäre - welche jedoch nicht vorhanden ist. Folge ist ein Absinken der Tragschraubendrehzahl (was zu großen Schwierigkeiten führt, da sich rapide alle aerodynamischen Parameter verschlechtern), ein Sinken usw. Vergleichbar ist dies mit dem Herabsetzen der Fluggeschwindigkeit bis zum Überziehen eines normalen Flugzeuges. Für den Hubschrauber Mi-8 wird die Gipfelhöhe mit 4000m angegeben, moderne Hubschrauber mit sehr hohem Leistungsüberschuß der Triebwerke schaffen durchaus das Doppelte. Direkt aus dem Diagramm für die erforderliche Triebwerksleistung und der Höhenkennlinie des Triebwerkes ist das Höhen-Geschwindigkeitsdiagramm ableitbar, welches die in einer bestimmten Höhe erreichbaren Geschwindigkeiten angibt. Die dargestellte Kurve ist der durch die Triebwerks-Startleistung begrenzte Bereich, in der Praxis werden für den Hubschrauber jedoch Geschwindigkeits-Höhenbereiche mit Sicherheiten angegeben. Mit der Sparfluggeschwindigkeit ist die maximale Flughöhe erreichbar, da hierbei die minimale Triebwerksleistung benötigt wird. Diese erreichbare Flughöhe ist die dynamische Gipfelhöhe, in diesem Punkt ist praktisch nur mit einer Geschwindigkeit zu fliegen - die Minimal- und Maximalgeschwindigkeit sind gleich. Die statische Gipfelhöhe ist im Gegensatz dazu die Flughöhe, die mit einer Vorwärtsgeschwindigkeit von 0, also in der Standschwebe erreicht werden kann. Der Flug in großen Höhen sowie mit Maximalgeschwindigkeiten ist auf Grund der beschriebenen Abhängigkeiten immer mit hohen Triebwerksleistungen verbunden, die Obergrenze bildet hierbei die verfügbare Startleistung. Die Betriebszeit der Triebwerke bei Startleistung sind jedoch begrenzt und damit nicht über größere Zeiträume zu realisieren (siehe Technik/Triebwerk). Die im Höhen-Geschwindigkeitsdiagramm festgelegten Bereiche sind auf Grund der INA (Normatmosphäre) berechnet. Da solche Bedingungen in der Praxis i.d.R. nicht zutreffen, treten Abweichungen in den erreichbaren Flughöhen (statische und dynamische Gipfelhöhe) auf. Entscheidend für die Durchführung von Flugmanövern ist stets die Einhaltung der Triebwerksparameter als Obergrenze.

Die Triebwerksleistung wird im fliegenden Hubschrauber über den Gassteigungshebel gesteuert (wenn wir von den besonderen Mitteln Drehgas und Hebel zur getrennten TW-Steuerung absehen, die im Fluge normalerweise nicht betätigt werden). Mit Ziehen des Gassteigungshebels, was eine Vergrößerung des Einstellwinkels der Tragschraube bewirkt, wird ebenfalls die Triebwerksleistung hochgeregelt. Das Kraftstoffregelsystem versucht die Drehzahl der Tragschraube konstant zuhalten. Zieht der Hubschrauberführer den GSH mit zulässiger Geschwindigkeit (Mi-8: 1°/s), wird die Losturbine durch die Tragschraube mit einem größeren Drehmoment belastet. Die Drehzahl sinkt, das Kraftstoffregelsystem erhöht die Kraftstoffzufuhr und damit die Verdichterdrehzahl bis die Tragschraubendrehzahl wieder hergestellt ist. Im Bereich der Startleistung der Triebwerke wird die Drehzahl der Losturbine/ Tragschraube um 2..3° sinken. Hier hat der Anstellwinkel in der Losturbine den günstigen Anstellwinkel überschritten und vermindert die Effektivität, da das Triebwerk "nur" bis zu diesem Grenzbereich konstruiert ist. Der kritische Anstellwinkel wird noch nicht erreicht, erst bei weiterem Ziehen des GSH reißt die Strömung infolge eines überkritischen Anstellwinkels an der Losturbine ab und die Tragschraubendrehzahl fällt unter den minimal zulässigen Wert. Die weitere automatische Aufregelung durch das Kraftstoffregelsystem erhöht zwar die Verdichterdrehzahl und die Gastemperatur, jedoch kann die Tragschraubendrehzahl nicht wieder hergestellt werden. In der Regel greift nun die automatische Begrenzung der Gastemperatur und regelt das Triebwerk ab. Durch die geringere Drehzahl der Losturbine kommt es zu einer Überhitzung der Schaufeln mit nachfolgenden mechanischen Problemen.

Das Fallen der Tragschraubendrehzahl unter den minimal zulässigen Wert stellt eine gefährliche Situation dar, welcher der HSF unbedingt mit den richtigen Handlungen begegnen muss. Das zwangsläufige Sinken des Hubschraubers ist keinesfalls mit weiterem Ziehen des GSH auszuleiten. Vielmehr muss mit allen Mitteln die Drehzahl der Tragschraube und der Losturbine wiederhergestellt werden. Eine Möglichkeit besteht im Absetzen des GSH und Vermindern des notwendigen Drehmomentes an der Tragschraube - damit kann das Triebwerk mit der seiner Leistung die Anströmung der Losturbine wieder sichern. Ein andere Möglichkeit ist das Ziehen des Steuerknüppels. Durch das Ziehen wird der Tragschraubenkegel nach hinten geneigt. Die Anströmung der Tragschraube erfolgt von vorn unten, was insgesamt zu einem positiveren Anstellwinkel des Rotors führt. Die Anströmung vermindert das erforderliche Drehmoment, die Tragschraubendrehzahl steigt wieder, und zwar ohne Betätigung des GSH. Allerdings muss auch bei der Betätigung des GSH auf die typbedingt maximal zulässige Betätigungsgeschwindigkeit geachtet werden, damit das Triebwerk nicht Schwierigkeiten bei der Einstellung auf die neue Leistungsstufe hat.

Die Triebwerke der Hubschrauber Mi-2 und Mi-8 haben nur ein beschränktes und relativ geringes Beschleunigungsvermögen, was der Betätigung der Steuerorgane durch den HSF, insbesondere bei Gefechtsmanövern und in stark durchschnittenem Gelände in extrem geringen Höhen Grenzen setzt. Die Beachtung der typbedingten Grenzwerte ist für den HSF unbedingt erforderlich, um o.g. Probleme zu vermeiden. Modernere Kampfhubschrauber verfügen über Triebwerke mit entsprechend mehr Beschleunigungsvermögen und sind damit für diese Manöver besser gerüstet.

Die Betätigung des Steuerknüppels in Längsrichtung (Ziehen bzw. Drücken) verändert durch den veränderten Anstellwinkel der Tragschraube sehr stark das Drehmoment. Der Drehmomentänderung muss durch die Neueinstellung der Triebwerksleistung begegnet werden; wie bereits geschildert, ist hierfür das Kraftstoffregelsystem zuständig. Infolge des geringen Beschleunigungsvermögens fällt insbesondere beim Nachdrücken des Steuerknüppels die Tragschraubendrehzahl, wenn schneller als erlaubt gehandelt wird. Fatal wirken sich hier Kombinationen solcher Handlungen aus: Wird z.B. bei einen schnellen und steilen Landeanflug der HS vor dem Erreichen der Landeposition abgebremst (Ziehen des Steuerknüppels) und zur Vermeidung eines Steigen des Hubschraubers der GSH abgesenkt, vermindert sich schlagartig das Drehmoment der Tragschraube, damit die erforderliche Triebwerksleistung. Das Triebwerk regelt über sein Regelsystem die Leistung herunter. Im Anschluss wird der HS wieder aufgerichtet (Knüppel nach vorn) und zur Vermeidung des Sinkens der GSH gezogen. Das Triebwerk muss auf Grund des erhöhten TS-Drehmomentes wieder aufregeln, was aber infolge der begrenzten Beschleunigungsfäigkeit nur sehr langsam vor sich geht. Als Folge fällt die Tragschraubendrehzahl - u.U. reißt damit die Strömung in größeren Bereichen der rücklaufenden Blätter ab, der HS sinkt selbständig. Die für die Heckschraube erforderliche Energie wird nicht bereitgestellt, der HS beginnt nach links zu drehen. Der massive Einbruch der Steuerbarkeit stellt ein großes fliegerisches Risiko dar.

Die Heckschraube ist ein stark schwankender Leistungsverbraucher: In der Standschwebe werden ca.8% der TW-Leistung für die Heckschraube benötigt, im Bereich um 200km/h sinkt der Bedarf auf ca.3%, um dann wieder anzuwachsen.

Startverfahren für Hubschrauber

Der senkrechte Start

ist das klassische und dem Hubschrauber angemessene Verfahren. Dabei startet der Hubschrauber mit einer Standschwebe und holt aus geringer Schwebehöhe heraus Fahrt auf. Umgekehrt wird bei der Landung verfahren - die Fahrt wird bis auf 0 verringert, bis der Hubschrauber in der Standschwebe verharrt. Anschließend wird abgesetzt. Dieses Verfahren erfordert die größte Triebwerksleistung, da bei Vorwärtsgeschwindigkeit 0 die Auftriebserzeugung mit gegebener Triebwerksleistung am geringsten ist (siehe vorheriges Kapitel Triebwerksleistung). Für die Standschwebe und das Fahrtaufholen spielen ebenfalls die Einflüsse des Bodeneffektes eine Rolle.

Entsprechend dem großen Leistungsbedarf kann die Standschwebe bei den meisten Maschinen nur mit der maximalen oder zumindest entsprechend hohen Leistungsabgabe der Triebwerke erfolgen. Insbesondere bei Ausfall eines Triebwerkes ist kaum eine Standschwebe möglich, auch nicht für die Landung (Ausnahmen bilden Maschinen mit einem extremen Leistungsüberschuss - so wie z.B. eine EC-135, die aus genau diesem Grunde zunehmend gern für die Rettungshubschrauber genutzt wird).

Flugzeugstart

Beim Flugzeugstart holt der Hubschrauber am Boden Fahrt bis zu einer festgelegten Geschwindigkeit auf, um dann wie ein Flugzeug abzuheben. 
Die erforderliche Triebwerksleistung für den Start ist geringer, da eingangs nur Leistung zur Längsbeschleuingung des Hubschraubers aufgebracht und nicht wie im Falle der Standschwebe das Gesamtgewicht des Hubschraubers gehoben werden muss. Beim Erreichen einer Vorwärtsgeschwindigkeit ist die Auftriebserzeugung an der Tragschraube größer (immerhin geht die Geschwindigkeit quadratisch in den Auftrieb ein). Mit vorhandener Triebwerksleistung kann so ein größeres Startgewicht erzielt werden, was zum einen tatsächlich für Starts mit maximaler Startmasse erforderlich ist und zum anderen auch Starts bei widrigen Umgebungsbedingungen (hohe Lufttemperaturen, Starts im Hochgebirge - beides bedingt eine geringe Luftdichte) besser ermöglicht. Der Bodeneffekt greift auch beim Flugzeugstart im unteren Geschwindigkeitsbereich und ermöglicht eine höhere Effektivität. 
Ein Flugzeuglandung ist möglich und stellt kein ernsthaftes Problem dar. Insbesondere mit einem Fahrwerk ausgestattete Hubschrauber können problemlos mit Vorwärtsgeschwindigkeit aufsetzen, aber auch viele Maschinen mit Kufen schaffen dies i.A. ohne größere Schwierigkeiten. Die Flugzeuglandung ist insbesondere vonnöten bei Ausfall eines oder mehrerer/aller Triebwerke. In diesem Falle fehlt ein großer Teil der Auftriebsleistung, so dass kaum mit einer Standschwebe zu landen ist. Die Landung mit Vorwärtsgeschwindigkeit ist so entsprechend der geringen Triebwerksleistung die einzige Möglichkeit.

Flugzeugstart mit Rollen auf dem Bugrad

Ist im Grunde ein etwas "erweiterter" Flugzeugstart. Nach dem beginnenden Fahrtaufholen wie beim Flugzeugstart wird das Bestreben der Maschine, selbstständig abzuheben, so "überdrückt", dass sie auf dem Bugrad noch weiter Fahrt aufholt und damit einen noch höheren Auftrieb infolge der Fahrt erreicht. Auf diese Weise sind größere Startmassen erreichbar.

Wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung des Startverfahrens bzw. dessen häufigere Anwendung hatte wohl der Afghanistan-Krieg 1979-1989, in dem die Sowjetunion auch mit großen Hubschrauberkräften präsent war. Die Gebirgsbedingungen machten das besondere Verfahren für den Transport von unter diesen Bedingungen normalerweise nicht erreichbaren Nutzlasten geeignet.

Die maximal erreichbaren Startmassen sind in nebenstehendem Monogramm dargestellt.
Das Startverfahren ringt der Besatzung eine hohe Konzentration und perfektes Können ab und ist ungleich schwieriger als ein normaler Flugzeugstart.