zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Hallo Walter, eigentlich müsste ich mich ja auch angesprochen fühlen, weil ich ohne Physikstudium hier mitdiskutiert habe. Vielleicht gelte ich auch als Querulant, der keine Fangemeinde wie andere hinter sich hat. Das kümmert mich aber wenig. Auch die Theorien waren mir nicht geläufig und ich habe nur meine Erfahrungen ausgekramt, die damit nicht zufriedenstellend erklärt werden. Mein Europapatent habe ich damals auch nur bekommen, weil ich mit nicht widerlegbaren Fakten gegengehalten habe.

Ein Fortsetzung hätte ich mir sicher auch gewünscht.

Gruß
Bruno

[webGandalf]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ein Fortsetzung hätte ich mir sicher auch gewünscht.

Macht nur weiter, lasst Euch von solchen "elitären" Kommentaren nicht abhalten.
Die Frage ist einfach was ist offen, und wie könnte man da nun weiterkommen. Es scheint im grossen und ganzen zwei Fraktionen zu geben, und dann noch einige, die das ganze zu verbinden suchen. Unbestritten sind zumindest die beiden physikalischen Grundsätze, die Frage ist nur inwieweit sie an unseren Helis zum Tragen kommen.

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Den Vergleich des Rotorblatts mit einem Pendel habe ich mir natürlich auch durch den Kopf gehen lassen.
Ich verstehe es z.B., wenn ich eine Gardinenschnur mit Bleikugeln nach unten hängen lasse. Tippe ich sie an, schwingt sie in irgendeiner Art und Weise, aber nicht wie ein klassisches Pendel. Schon bei Auswahl des Rotorblattmaterials kann man also Einfluß auf die Schwingungscharakteristik nehmen.
Jetzt brauche ich noch die Aerodynamische Dämpfung und fülle ein Becken mit Schichten von Flüssigkeiten verschiedener Viskosität. Ich hänge die Gardinenschnur hinein und platziere die dickflüssigste Schicht da, wo auch beim Blatt die größte aerodynamische Dämpfung ist. Jetzt tippe ich die Schnur wieder an und die Schnur schwingt wieder anders und ich verstehe die Zusammenhänge von meiner Seite aus ganz gut. Wenn ich das Ganze dann in Rotation versetze komme ich wider zu meinem gedämpften flexiblen Körper.
ßber die Auswirkung des Mastmoments hatte ich ja schon meine Sichtweise geschrieben.

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Habe mir mal die Arbeit mit einigen Versuchen gemacht, weil ich einfach nicht verstehe, daß eine Theorie und kein bewiesenes physikalisches Prinzip hinter der ganzen Sache stecken soll.
Dazu hatte ich die Komponenten auf den Bildern und führte Stand- und Flugversuche mit einem Rigid-Rotor ohne Elektronik durch. Alle sind sich ja einig, daß das Steuern des Hubschraubers durch das Kippen der Rotorebene erfolgt.


Ergebnis:
Alle um einen Punkt rotierenden Massen (Kreisel, Rotorblätter, Planeten) kann man durch eine von außen kommende Kraft in eine neue Umlaufbahn schicken. Dies nenne ich das Kippen der Rotationsachse. Es handelt sich um keine Schwingung sondern um reine ßnderung der Bewegungsrichtung, entsprechend einer rollenden Kugel, die mit einem Stoß in eine andere Richtung gelenkt wird. Betrachtet man das Ganze von oben, ergibt sich ein Winkel von genau 90 Grad. Bei einem Hubschrauber haben wir Störeinflüsse durch Dämpfung, Flexibilität und Aerodynamik, was sich in einer Phasenverschiebung äußert.

Denkfalle Taumelscheibe:
Bei der mechanischen zyklischen Ansteuerung der Rotorblätter durch eine Taumelscheibe wird bei 0 Grad das eine Rotorblatt nach oben abgelenkt und nach 180 Grad wieder nach unten. Beide Male findet eine Umlaufbahnänderung statt, keine Schwingung. Man vergisst einfach, dass das Kippen der Rotorachse auch funktioniert, wenn man immer nur bei 0 Grad einen Impuls geben würde, verglichen mit einem Pendel, das immer in die gleiche Richtung ohne Rückstellkraft gestoßen wird. Die Schwingungstheorie ist also eine reine Eselsbrücke.

Schwingungen:
Selbstverständlich schwingt auch ein Rotorblatt, einmal wie eine Peitsche, wie eine Saite und wie ein Federstahl in einem Schraubstock. Diese überlagern sich ständig. Keine dieser Schwingungen führt aber zum Kippen der Rotorebene. Es gibt bestimmt einen nicht-sinusförmigen Anteil von Schwingungen, die zu einer Phasenverschiebung führen, das war es aber dann auch.

Standversuch T-Rex 450:
Ich habe den Heli auf eine Holzplatte gestellt und unter diese wiederum ein Schaumstoffteil, um ihm das Kippen zu ermöglichen. Um die Kreiselkräfte soweit wie möglich zurückzunehmen, verwendete ich leichte Balsablätter und reduzierte die Drehzahl sehr stark. Beim Betätigen der zyklischen Steuerung kippt der Heli eindeutig in einem Phasenwinkel von annähernd 0 Grad, also in die Gegenrichtung des tatsächlichen Auftriebs. Diese Art der unstabilisierten aerodynamischen Steuerung ist für einen Heli also denkbar ungeeignet.
Nach Hinzugabe von Gewicht und Geschwindigkeit (Drehzahl), kann man dann den Phasenwinkel auf die gewünschten 90 Grad erhöhen.

Flugversuche T-Rex 450:
Paddelstange abmontiert, kein FBL Helfer, und los geht-s. Die leichten Balsablätter haben einen sehr stark schwankenden Phasenwinkel um die 90 Grad und sehr wenig Stabilität, was eigentlich nur dem Training förderlich ist.
Die schwarzen Kunststoffblätter auf dem Bild bestehen außen aus Vollmaterial und in der Mitte sind jede Menge Ausfräsungen mit Folie bedeckt. Es biegt sich sehr leicht in der Mitte und die O-Ringe des Zentralstücks erlauben einige Grad ungehindertes Schwenken, bis die Blattlagerwelle anschlägt. Dieses Blatt hat einen eindeutig erflogenen Phasenwinkel von 95 Grad! Würde ich das Blatt jetzt in der Mitte schwer machen und die Biegefähigkeit weiter nach außen verlagern, könnte ich ohne Probleme einen Phasenwinkel von unter 90 Grad erreichen. Der Heli ist immer fliegbar, wenn der Phasenwinkel um die 90 Grad beträgt, egal ob genau, darunter oder darüber. Warum? Weil die das Kippen der Rotorachse nicht aufgrund einer Schwingung beruht, sondern nur auf einer Richtungsänderung einer mit hoher Geschwindigkeit rotierenden (bewegenden) Masse. Vorausgesetzt natürlich, man handelt sich keine Blattschwingungen ein, die sich mit der Drehfrequenz des Rotors überlagern.

Kreisel:
Er ist in der Tat der Spezialfall starres System, weil alle umlaufenden Massepunkte starr miteinander verbunden sind. ßbe ich auf einen Punkt eine Kraft aus, überträgt sich das automatisch auf alle anderen, egal ob ich es am Rand oder in der Mitte auf der starren Achse tue. Auch hier wieder, ich nenne es mal das Umlaufbahnänderungsprinzip, keine Schwingung.

Bei meinen Versuchen erkenne ich keinerlei Widersprüche , nur die entgegen der gängigen Theorien. Ich kann Phasenwinkel gezielt beeinflussen, Stabilität erzeugen und den Heli auch ohne FBL vernünftig fliegbar machen. Ich weiß die Gründe dafür und habe die Beweise. Würde ich auf eine Theorie umschwenken, würde ich nur zugeben, etwas nicht verstanden zu haben.

Sollte es keinen Weg einer Berechnung geben, für das was ich geschrieben habe, fresse ich die rotierende Bürste einer Waschstraße
Ich wollte nicht zuviel und kompliziert schreiben. Hoffe es war einigermaßen verständlich. Wenn einer also noch Fragen zu meinen Versuchen hat, werde ich sie gerne beantworten.

Viele Grüße
Bruno

[Julian E.]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Denkfalle Taumelscheibe:
Bei der mechanischen zyklischen Ansteuerung der Rotorblätter durch eine Taumelscheibe wird bei 0 Grad das eine Rotorblatt nach oben abgelenkt und nach 180 Grad wieder nach unten. Beide Male findet eine Umlaufbahnänderung statt, keine Schwingung. Man vergisst einfach, dass das Kippen der Rotorachse auch funktioniert, wenn man immer nur bei 0 Grad einen Impuls geben würde, verglichen mit einem Pendel, das immer in die gleiche Richtung ohne Rückstellkraft gestoßen wird. Die Schwingungstheorie ist also eine reine Eselsbrücke.

Hier muss ich nochmal nachhaken. Es ist doch unbestritten, dass die Rotorblätter bei zyklischer Ansteuerung eine periodische Schlagbewegung ausführen, welche als Schwingung betrachtet werden kann (außerdem: bei einem Pendel gibt es IMMER eine Rückstellkraft, sonst würde es nicht pendeln).

Richtig ist, dass die Neigung der Rotorebene auch funktionieren würde, wenn z.B nur bei 0° eine Kraft wirken würde, aber wie soll das denn mit der aerodynamischen Steuerung eines Hubschraubers funktionieren?

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Hier muss ich nochmal nachhaken. Es ist doch unbestritten, dass die Rotorblätter bei zyklischer Ansteuerung eine periodische Schlagbewegung ausführen, welche als Schwingung betrachtet werden kann (außerdem: bei einem Pendel gibt es IMMER eine Rückstellkraft, sonst würde es nicht pendeln).

Richtig ist, dass die Neigung der Rotorebene auch funktionieren würde, wenn z.B nur bei 0° eine Kraft wirken würde, aber wie soll das denn mit der aerodynamischen Steuerung eines Hubschraubers funktionieren?

Die zukünftigen Rotorgenerationen werden keine aerodynamische Steuerung mehr wie durch unsere Taumelscheiben haben. Die Rotorblätter werden nur noch impulsartig (elektrisch) an einem bestimmten Punkt angestellt und ein aerodynamischer Stoß erzeugt. Beim feinfühligen Schweben genügt wahrscheinlich ein einmalige Verstellung jede 5. Umdrehung bei 0 Grad. Wird mehr Wendigkeit benötigt, kann man auch bei jeder Umdrehung bei 0 und 180 Grad einen Stoß geben. Ein gleichmäßiges Anstellen des Blattes während des gesamten Umlaufs wird es dann nicht mehr geben und ist auch nicht erforderlich.

Die periodische Schlagbewegung (Schwingung) entsteht, wenn z.B. der Rumpf bei einem starren Rotorkopf nicht folgt, und die Federkraft das Blatt wieder zurückdrückt. Das ist aber eine Kraft, die das Einnehmen einer neuen Umlaufbahn behindert und führt zu einer Phasenverschiebung. Die Kraft, die den Rotor wirklich kippt hat genau 90 Grad und hat isoliert betrachtet keine Gegenkraft und kann deshalb keine Schwingung sein. Deshalb meinte ich ja, der Vergleich mit dem Pendel gilt nicht, weil dort eine Gegenkraft erforderlich ist.
Eine Berechnung nach dem Pendelprinzip zum Beherrschen der gefährlichen Schwinungen, halte ich aber unbedingt für erforderlich. Auch wenn die dabei auftretenden Kräfte die Rotorachse nicht bei 90 Grad kippen, sondern behindern. Und darum geht es ja hier, warum der Rotor sich wirklich neigt.

[uliguid]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

...
Ich wage also einfach mal folgende Behauptung:
Die Phasenwinkelverschiebung, egal wecher rotierender Festkörper, steht immer proportional zum Haltemoment der Drehachse. Dabei ist es egal, ob Schlaggelenke, O-Ringe oder biegsame Blatthälse diesem entgegenwirken. Entscheidend ist immer das wirksame Mastmoment. Biegungen oder Gelenke dienen nur zum Abfedern gefährlicher Kräfte oder auch zur Phansenwinkekorrektur bei Rotorblättern.

Hallo zusammen,

ich bin erst jetzt auf diesen interessanten Thread gestoßen und habe nun Lust auf das Thema bekommen

@Bruno:

Mir gefallen deine Ansätze und pragmatischen ßberlegungen. Da steckt viel Erfahrung und Know How drin. Danke für deine Beharrlichkeit!

Deine weiter oben gemachte Behauptung verstehe ich jedoch nicht ganz.
Wie kann ich mir das vorstellen, dass die Phasenverschiebung proportional zum Haltemoment der Drehachse steht?
Geht z. B. die Rotorebene bei 0 Grad (vorne) nach oben, dann wirkt da die größte Kraft auf die Drehachse (Rotorwelle). Die Kraft, die für diese Auslenkung verantwortlich ist, hatte aber ca. (!) 90 Grad vorher ihren maximalen Wert und bewirkt zu diesem Zeitpunkt (theoretisch) sogar überhaupt kein Mastmoment.


Und nun zum allgemeinen Teil.
Denn für mich scheint (!) die Sache recht klar.

Wäre das -System- starr, wären die exakt 90 Grad wohl unbestritten (Kreiselpräzession) und diesen Thread würde es nicht geben.
Da dem nicht so ist und man sich in der Entwicklung von Helikoptern (oder was auch immer) nur ungern auf Zufälle verlassen will, wurde ein Modell benötigt, mit dem man die auftretenden Effekte annähernd bzw. ausreichend beschreiben kann. Und dafür scheint mir das Bild einer -erzwungenen Schwingung eines Feder-Masse-Modells- in erster Näherung ganz gut geeignet.
Das kann natürlich, wie jedes Modell, nur eine Annäherung an die Realität sein, denn der Kraftverlauf am Rotorblatt folgt mit Sicherheit keiner harmonischen Schwingung. Das wurde ja u. a. schon sehr anschaulich hier erklärt.

Somit liefern für mich beide Ansätze nur eine unbefriedigende Erklärung.

Was man dem Ganzen nun für einen neuen Namen gibt (weder der Kreisel noch das vereinfachte Schwingungsmodell passen ja genau) und wie man es exakt berechnet, nur zu �

Und ja, auch ich bin der Meinung, dass sich das Verhalten eines starren Kreisels mit dem 90-Grad-Fall der erzwungenen Schwingung durchaus vergleichen lässt. Und um hier mal gleich eine These zu wagen - in diesem Spezialfall erscheinen mir beide Ansätze gleich gut bzw. schlecht zu einem realen Rotorsystem zu passen.

Bis dahin,
Uli

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Hallo Uli,

die obige Behauptung hatte ich ja vor meinen Versuchen gemacht. Ich müsste genauer sagen: Wenn ich dem Rotorblatt nicht erlaube 90 Grad nach dem größten Auftrieb nach oben zu schwenken, dann schwenkt es letztendlich da nach oben, wo der aerodynamische Auftrieb ist, also bei 0 Grad. Der Rotor kippt also dann nur noch zur Seite, nicht mehr nach vorne. Ob das jetzt letztendlich proportional zur Haltekraft geschieht, kann ich nicht beweisen. Jedenfalls beträgt der Phasenwinkel 90 Grad, wenn ich die Schlagbewegung freigebe.

Ich versuche übrigens inzwischen verzweifelt, das Denkmodell erzwungene Schwingung in meinen Kopf zu bekommen. Ich betrachte auch mal das Rotorblatt einzeln und schaue vom Rotorkopf Richtung Blattende und befestige dort einen Filzstift, der die Bewegung auf ein Blatt schreibt. Bewege ich jetzt das Blatt vorwärts, bildet sich die sinusförmige Linie der zyklischen Steuerung ab.
Jetzt bekomme ich aber wieder einen Rückschlag, weil das Blatt für eine Neigung der Rotorebene stufenweise höher steigen müsste. Das bedeutet, nur eine nicht sinusförmige Schwingung könnte die Rotorebene neigen, oder eben nur ein Stoß, der eine gerade Linie nach oben ergibt.

Wenn ich diesen Widerspruch ignoriere (widerstrebt mir), dann wird sich das Blatt wohl in einem Windkanal und dieser erzwungenen Schwingung ähnlich (vielleicht auch genauso) schwingungstechnisch verhalten, wie auf einem Rotorkopf. Nur die Phasenverschiebung durch die federnde Dämpfung kriege ich da noch nicht unter, weil sie durch eine höhere Frequenz begründet wird. In meinem Gedankengang führt die Einfügung einer Federkraft zu einer zeitlichen Verschiebung der erzwungenen Schwingung (vielleicht liege ich auch falsch), nicht zu einer erhöhten Frequenz. Irgendwann trifft dann die erzwungene Frequenz mit der Eigenfrequenz des Blattes zusammen und es knallt, wie bei der Brücke mit den Soldaten.

Was mich betrifft, Beharrlichkeit und Erfahrung ja, Know how nein. Ich lese keine Bücher, weil ich da nie etwas verstehe. Ich muß mir immer etwas erarbeiten und selber begreifen, und das ist manchmal für mich sehr nervig. Aber danach muß ich auch nichts auswendig lernen.

Viele Grüße
Bruno

[uliguid]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Hallo Bruno,

man kann sich das auch so vorstellen, dass in dem Fall, wo sich die Blätter frei nach oben und unten bewegen können, diese genau den Anstellwinkel haben, den eine Scheibe in der selben Lage im Raum an den einzelnen Drehwinkeln auch hat.
Hm, nicht so leicht zu beschreiben.

Deshalb dazu ein kleiner, aber effektiver Versuch!

Stell dich mal hin und strecke deinen Arm waagrecht von dir weg. Die Handfläche simuliert den Anstellwinkel des Blatts, dein Körper ist die Rotorwelle.
So, und jetzt neigst du die Taumelscheibe in deiner Brust und fängst an, dich langsam zu drehen. Ja, echt, mach ruhig mal.
Deine Handfläche wird nun während der Drehung eine Art Sinus beschreiben.
Folge jetzt deinem Gefühl. Immer, wenn der Anstellwinkel, also der gedachte Auftrieb, groß ist, gehe nach oben bzw. unten. Bei kleinen Anstellwinkeln weniger, bei Null Grad bleibst du auf Höhe. Folge einfach der Linie deiner Hand. Du kannst dir auch vorstellen, dass du das im Wasser machst, dann kannst du die Kräfte fast schon spüren.

Was passiert? Die Kreisfläche, die dein Arm abfährt zeigt dir genau das, was die Rotorebene auch macht. Sie neigt sich, und zwar 90 Grad Phasenverschoben zu den maximalen Anstellwinkeln.
Hat's geklappt?

Und jetzt kannst du dir bildlich mal vornehmen, dass deine Hand aus Blei ist (also sauschwer) oder fast gar keine Masse hat. Wenn du jetzt (wieder nach Gefühl) die obige ßbung machst (ja, ein wenig Bewegung kann nie schaden ), wirst du aufgrund des gefühlten Trägkeitsverhaltens der Hand bemerken, dass z. B. bei der Bleihand die gedachte Strömungskraft an der Handfläche etwas länger braucht, die Hand zu heben bzw. zu senken. Die Reaktion auf die Kraft in Form der Auslenkung kommt dann später. Im leichten Fall früher.

Ich habe mit diesem Versuch ein Gefühl für die Sache entwickelt. Und ich denke, das könnte dir gut gefallen!


Viele Grüße,
Uli

[Amok]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

SCNR:

Du weißt das du Helisüchtig bist, ... - Seite 129 - RC-Heli Community

mfg
Amok

[Piloto]

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Macht euch mal keine Sorgen, Gehirnzellen habe ich genügend

[uliguid]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

SCNR:

Du weißt das du Helisüchtig bist, ... - Seite 129 - RC-Heli Community

mfg
Amok

Der ist gut!!

[planwo]

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Physikalisch gesehen sind eure ßberlegungen völlig korrekt, dass Kreiselpräzession und zyklische Steuerung genau denselben Prinzipien unterliegen. Stellt euch ganz einfach einen Massepunkt vor, der mehr oder weniger starr mit einer sich drehenden Achse verbunden ist. Jetzt bringt ihr auf den Massepunkt eine Kraft parallel zur Achsrichtung auf - entweder aerodynamisch erzeugt (Hubschrauberrotor) oder eben über ein Schwenken der Achse (Kreisel). Der Massepunkt wird jetzt senkrecht zur seiner ursprünglichen Bewegungsrichtung beschleunigen und sich damit von der ursprünglichen Bewegungsebene entfernen. Wenn jetzt die Kraft im Verlauf von 90 ° Drehbewegung auf 0 zurückgeht (weil beim Rotor durch die Taumelscheibe der zyklische Anstellwinkel auf 0 reduziert wird oder beim Kreisel in der 90 ° Stellung keine Kraft parallel zur Achse mehr übertragen wird), dann seid ihr der Lösung schon sehr nahe.

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Thx, mit "Physikalisches Prinzip" kann ich sehr gut leben und habe es verstanden. Gilt also sozusagen doch für alle rotierenden Massen. Bringe alles unter und kann ableiten was mich gewurmt hat.

[uliguid]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

..., dass z. B. bei der Bleihand die gedachte Strömungskraft an der Handfläche etwas länger braucht, die Hand zu heben bzw. zu senken. Die Reaktion auf die Kraft in Form der Auslenkung kommt dann später. Im leichten Fall früher.

Hallo nochmal,

ich sehe gerade, dass sich in meinem obigen Post ein Fehler eingeschlichen hat. Richtig sollte es heißen:

..., dass z. B. bei der Bleihand die gedachte Strömungskraft an der Handfläche etwas länger bräuchte, die Hand in gleichem Maße zu heben bzw. zu senken. Die Reaktion auf die Kraft in Form der Auslenkung ist dann kleiner. Im leichten Fall größer.

Auf die Phasenverschiebung hat das keinen Einfluss.

Grüße, Uli