mini|Dreiblättriger Hauptrotor einer Aérospatiale SA-319 (Alouette III). Taumelscheibe zwischen grauem und schwarzem Faltenbalg.
Der Hauptrotor ist die zwei- oder mehrblättrige dynamische Systemkomponente eines Hubschraubers, die durch ihre Drehung um die Rotorachse den Auftrieb sowie durch zyklische Änderung des Anstellwinkels der Rotorblätter dessen Steuerung und Vortrieb sicherstellt. Der Hauptrotor besteht grundsätzlich aus der Rotorwelle (1), der Taumelscheibe (2), den Steuerstangen (4 und 10), dem Rotorkopf mit der Rotornabe (6), den Rotorblatthaltern mit den Drehgelenken (7) und den Rotorblättern (9+8).
Hinweis: Alle in diesem Artikel in Klammern angegebenen Zahlen beziehen sich auf die Legende in der nebenstehenden Grafik.
Hubschrauber-Hauptrotorkonfigurationen Der Antrieb des Hauptrotors erzeugt in Abhängigkeit vom Anstellwinkel der Rotorblätter ein gegen die Drehrichtung des Hauptrotors wirkendes Drehmoment auf den Rumpf eines Hubschraubers. Um der Drehung des Rumpfes um die Hochachse entgegenzuwirken, werden verschiedene Konstruktionen genutzt.Niels Klußmann und Arnim Malik: Lexikon der Luftfahrt, Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, 3. Auflage 2012, ISBN 978-3-642-22499-7
Heckrotor-Konfiguration
Ein System aus einem Hauptrotor und einer Gegenschub erzeugenden Vorrichtung, die an einem Heckausleger montiert wird, ist die bekannteste und häufigste Konfiguration für Hubschrauber. In der Heckrotor-Konfiguration wird von einem am Heckausleger angebrachten Heckrotor ein horizontaler Schub erzeugt, um der Drehung des Rumpfes um die Hochachse entgegenzuwirken. Dieser Schub ist nicht konstant, sondern muss vom Piloten bei jeder Änderung des Drehmomentes (anderer Anstellwinkel der Rotorblätter, geänderte Antriebsleistung) angepasst werden. Bei rechtsdrehenden Hauptrotoren (Draufsicht) wird der Heckrotor grundsätzlich auf der rechten, bei linksdrehenden Hauptrotoren auf der linken Seite des Heckauslegers angebracht.
Eine besondere Bauform ist der Fenestron, dessen gekapselte Bauweise in Verbindung mit der größeren Anzahl an Rotorblättern sowie einer höheren Drehzahl einen kleineren Rotordurchmesser bei gleicher Leistung zulässt.
Eine weitere besondere Bauform ist ein System, bei dem von außen kein Heckrotor zu sehen ist. Stattdessen ist im Hubschrauber eine Turbine montiert, die Luft nahe der Kabine ansaugt und durch eine Düse an einem Ausleger ausbläst. Ein Beispiel für diese Konfiguration ist der McDonnell Douglas NOTAR.
Doppelrotor-Konfigurationen Ein System aus zwei gegenläufigen Hauptrotoren wird Doppelrotor-Konfiguration genannt. Dabei werden vier Systeme unterschieden.
Tandem-Konfiguration
In dieser Tandem-Konfiguration sind zwei gleich große gegenläufige Hauptrotoren in Flugrichtung hintereinander angeordnet, wobei der hintere der beiden Rotoren stets höher als der vordere angeordnet ist. Diese Konfiguration kommt insbesondere bei größeren Transporthubschraubern wie dem Piasecki H-21 oder Boeing-Vertol CH-47 zur Anwendung.
Transversale Rotoren
Transversal angeordnete Rotoren werden ebenfalls der Tandem-Konfiguration zugeordnet, wobei jedoch zwei gleich große gegenläufige Hauptrotoren nebeneinander an den Enden von seitlichen Auslegern quer zur Flugrichtung angeordnet sind. Diese Konfiguration kommt z. B. bei den Focke-Achgelis Fa 223, Mil Mi-12 und Kamow Ka-22 zur Anwendung.
Flettner-Doppelrotor
Bei dieser Konfiguration stehen zwei Rotorwellen leicht nach außen geneigt in V-Form eng nebeneinander, so dass die beiden gegenläufigen Rotoren in einander kämmen. Diese Konfiguration kommt z. B. bei den Flettner Fl 282 oder Kaman K-Max zur Anwendung.
Koaxialrotor
In dieser Tandem-Konfiguration sind zwei gleich große gegenläufige Hauptrotoren übereinander auf einer Rotorwelle angeordnet. Diese Konfiguration kommt z. B. bei den Kamow Ka-32 oder Kamow Ka-50 zur Anwendung. Zudem wird diese Konfiguration bei Einsteigerhubschraubermodellen verwendet.
Blattspitzenantrieb
Hauptrotoren mit Blattspitzenantrieb stellen eine Ausnahme dar. Bei diesem Antriebsverfahren wird der Rückstoß aus komprimierter Luft, teilweise durch Treibstoffverbrennung unterstützt (heißer Blattspitzenantrieb), verwendet, um den Hauptrotor in Drehung zu versetzen und so Auftrieb zu erzeugen. Die komprimierte Luft wird dabei durch den Hauptrotormast und die Rotorblätter bis zu den Blattspitzen geführt, wo sie aus Düsen austritt. Da diese Kraft nicht auf die Rotorwelle wirkt, ist kein Drehmomentausgleich notwendig. Dieses Antriebsverfahren wurde allerdings wegen der hohen Lärmentwicklung und des hohen Kraftstoffverbrauchs nicht weiter verfolgt. Dieser Antrieb kam z. B. bei der Sud-Ouest SO 1221 „Djinn“, dem einzigen erfolgreichen Hubschrauber mit Blattspitzenantrieb zur Anwendung. Auf Hauptrotoren mit Blattspitzenantrieb wird hier nicht weiter eingegangen.
Tragschrauber
Der Hauptrotor eines Tragschraubers wird nicht durch ein Triebwerk, sondern aufgrund der von unten wirkenden Anströmung des leicht nach hinten geneigten Rotors passiv in Drehung versetzt (Autorotation). Durch diese Drehung des Hauptrotors erzeugen die Rotorblätter einen Auftrieb.Michael Kalbow: Hubschrauber Aerodynamik, Dieter-Franzen-Verlag, Kuppenheim, 2010, ISBN 978-3-930996-23-0 Der Vortrieb des Tragschraubers erfolgt, wie beim Starrflügelflugzeug, durch einen meist am Heck angebrachten Propeller. Hauptrotoren von Tragschraubern werden hier nicht weiter betrachtet.
Komponenten des Hauptrotors Der Hauptrotor eines personentragenden Hubschraubers sowie von pitchgesteuerten Modellhubschraubern verfügt grundsätzlich über folgende Komponenten.
Rotorwelle Die Rotorwelle (1) ist das zentrale Bauelement des Rotors. Sie ist am unteren Ende über ein Getriebe mit dem Antrieb verbunden. Bei personentragenden Hubschraubern kommen Verbrennungsmotoren oder Turbinen zum Einsatz. Modellhubschrauber werden neben diesen Antrieben auch mit Elektromotoren betrieben. Der Antrieb versetzt die Rotorwelle in eine Drehbewegung. Am oberen Ende der Rotorwelle ist die Rotornabe starr mit dem Rotorkopf (6) verbunden.Walter Bittner: Flugmechanik der Hubschrauber: Technologie, das flugdynamische System Hubschrauber, Flugstabilitäten, Steuerbarkeit, Springer Verlag, Berlin und Heidelberg, 3. Auflage 2009, ISBN 978-3-540-88971-7 Die gedachte Linie durch die Mitte der Rotorwelle ist die Rotormastachse. Um diese dreht sich die Rotorwelle. Diese ist in den meisten Flugsituationen nicht mit der Rotationsachse der Ebene identisch in der die Rotorblätter liegen. Der Grund dafür ist die zusätzliche Neigung die die Rotorblätter während des Umlaufs erhalten.
Die Drehzahl der Rotorwelle hat unmittelbare Auswirkungen auf die Geschwindigkeit der Rotorblattspitzen des Hauptrotors. Diese Geschwindigkeit in Kilometern pro Stunde (km/h) wird nach folgender Formel berechnet:
wobei d für den Durchmesser des Rotorkreises in Metern und die Konstante 0,06 für den Umrechnungsfaktor in km/h steht. Z.B. ergibt sich für den Sikorsky S-65 eine Rotorblattgeschwindigkeit an der Blattspitze (Rotorkreisradius = 12 Meter, Rotornormaldrehzahl = 185 Umdrehungen pro Minute) von 836,92 km/h. Im Vorwärtsflug muss die Geschwindigkeit des Hubschraubers zur Rotorblattgeschwindigkeit hinzugerechnet werden. Aufgrund aerodynamischer Gegebenheiten wird der Hubschrauber unsteuerbar, wenn sich die Geschwindigkeit der Rotorblattspitzen der Schallgeschwindigkeit (ca. 1235 km/h) nähert. Es ergibt sich ohne Berücksichtigung atmosphärischer Luftströmungen (Wind) eine theoretische Höchstgeschwindigkeit des Sikorsky S-65 von ca. 390 km/h (tatsächlich 295 km/h).
In der folgenden Tabelle ist die Drehzahl des HauptrotorsLuftfahrt-Bundesamt, Blaues Buch, Auszug Drehflügler (PDF; 59 kB) abgerufen am 11. Februar 2014 abgerufen am 11. Februar 2014 – angegeben in Umdrehungen pro Minute (min−1) – einiger ausgewählter Hubschrauber aufgeführt. Zudem wird die daraus errechnete Geschwindigkeit der Rotorblattspitzen in Relation zum Rotorkreisdurchmesser dargestellt. Bild Hersteller Modell max. Drehzahl (min−1) norm. Drehzahl (min−1) min. Drehzahl (min−1) Rotorkreisdurchmesser (m) max. (km/h)m = Rotorkreisradius (≡ Geschwindigkeit der Rotorblattspitze) 150px Aérospatiale SA 330 Puma -- 265 ± 7 220 15,00 769 150px Aérospatiale AS 332 Super Puma 275 265 245 15,60 809 150px AgustaWestland AW189 296,14 -- 284,75 14,60 815 150px Bell Helicopter Bell 47H-13 Sioux 380 -- 300 11,35 813 150px Bell Helicopter Bell 214 300 -- 294 15,24 862 150px Bell Helicopter Bell 222 348 -- 338 12,20 800 150px Erickson Air-Crane EAC S64F1992 verkaufte Sikorsky die Rechte am S-64 Skycrane an die Firma Erickson Air-Crane 193 -- 185 21,95 798,5 150px Eurocopter EC 225 Super Puma 275 246 220 16,20 840 150px Hiller Aircraft Corporation Hiller UH-12 370 -- 320 10,80 753 150px Kaman K-Max 273 -- 260 14,73 758 150px Messerschmitt-Bölkow-Blohm Bölkow Bo 105 433 -- 403 9,84 803 150px Messerschmitt-Bölkow-Blohm MBB/Kawasaki BK 117 390,7 -- 375,3 11,00 810 150px Mil Mi-8 186 -- 179 21,91 768 150px Robinson Helicopter R22 530 -- 495 7,67 766 150px Robinson Helicopter R44 408 -- 404 10,06 770 150px Sikorsky Aircraft Corporation S-58CH-34 258 -- 170 17,07 830 150px Sikorsky Aircraft Corporation S-61H-3 Sea King 225 -- 184 18,90 801,5 150px Sikorsky Aircraft Corporation S-76 313 293 281 13,41 791 150px Verschiedene Modellhubschrauberelektrisch angetrieben ≈ 3000 ≈ 1700 ≈ 1000 ≈ 0,90 ≈ 290bei einem Rotorkreisdurchmesser von 0,90 m und 1700 min−1
Taumelscheibe
mini|Bewegungen der Taumelscheibe bei stehendem Hauptrotor Die Taumelscheibe (2) dient zur Übertragung der Steuerbewegungen von der starren Zelle auf die sich drehenden Rotorblätter. Sie wird aus zwei Ringen (a) (b), die über ein Lager (c) gegeneinander drehbar verbunden sind, gefertigt. Diese mit Hilfe einer Schiebehülse (d) nach oben und unten verschiebbaren Ringe sind mit einem Kugelgelenk (e) um die Rotorwelle montiert und sind so kardanisch aufgehängt.
Der untere (bei anderer Bauweise der innere) Ring (a) der Taumelscheibe dreht sich nicht mit der Rotorwelle und ist über Steuerstangen (10) (f) mechanisch, hydraulisch oder elektronisch mit dem vor dem Pilotensitz befestigten Steuerknüppel (stick) sowie dem seitlich vom Pilotensitz befestigten Kollektivhebel (collectiv pitch) verbunden.
Der obere (bei anderer Bauweise der äußere) Ring (b) der Taumelscheibe ist über den Mitnehmer (3) (g) mit der Rotorwelle verbunden und dreht sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie diese. Dieser Ring ist über mitdrehende Steuerstangen (4) (h) mit den am Drehgelenk der Blatthalter montierten Blattverstellhebel (5) verbunden. So können die Drehgelenke angesteuert und die Einstellwinkel der Rotorblätter (9) geändert werden.
Durch die kardanische Aufhängung in Verbindung mit der Schiebehülse kann die Taumelscheibe folgende Bewegungen durchführen: Parallelverschiebung entlang der Rotorwelle zur kollektiven Ansteuerung der Rotorblätter. Diese Steuerbewegung wird mit dem Kollektivhebel eingegeben. Der Einstellwinkel aller Rotorblätter wird gleichzeitig und um den gleichen Betrag geändert; Neigung der Taumelscheibe in jede beliebige Längs- bzw. Querrichtung zur zyklischen Ansteuerung der Rotorblätter. Diese Steuerbewegung wird mit dem Steuerknüppel eingegeben. Dadurch vollführen die Rotorblätter bei jeder Umdrehung der Rotorwelle eine wellenförmige Änderung des Einstellwinkels; Kombinationen aus den oben genannten Taumelscheibenbewegungen.
Hinweis: Alle in Klammern angegebenen Buchstaben beziehen sich auf die Legende in der nebenstehenden Grafik.
Steuerstangen mini|Kollektivhebel links neben und S-förmig gebogener Steuerknüppel vor dem Pilotensitz mini|Detailansicht des Hauptrotors BO 105 mit Steuerstangen Die Steuerelemente Kollektivhebel und Steuerknüppel gehören nicht zum Hauptrotor, wirken sich jedoch unmittelbar auf diesen aus. Daher wird hier kurz darauf eingegangen.