Funktionsweise Heli

Funktionsweise – so funktioniert ein (Modell)Hubschrauber. Hubschrauber – phantastische Fluggeräte mit drehenden Teilen und Gestängen. Seit der Einführung des (Groß) Hubschraubers zu Beginn des 19ten Jahrhunderts wurden große Anstrengungen unternommen, um die Technik weiterzuentwickeln, wobei das Hauptrotorsystem den größten Anteil daran nahm. Bereits um 1960 gab es erste Modellhubschrauber, die sich jedoch kaum als ernsthaft flugfähig und schon gar nicht praxistauglich erwiesen. Die Konstrukteure lehnten sich zu sehr an die Technik des Großhubschraubers, ohne zu verstehen, das man dieses System nicht ohne weiteres auf einen Modellhubschrauber übertragen kann.

Obwohl der Hauptrotor wie ein großer Propeller aussieht, arbeitet er doch anders. Mittels einer Steuerung besitzt er die Fähigkeit, durch zyklisches ändern des Anstellwinkels der Rotorblätter die Hubkraft einseitig zu verschieben. Somit ist er in der Lage, den gesamten Hubschrauber zu neigen, so das sich dieser in diese Richtung fortbewegt. D. h. mittels dieser Steuerung wird zyklisch, also mit jeder Umdrehung wiederkehrend, der Anstellwinkel eines jeden Rotorblattes geändert, womit sich die beschriebene Neigung in eine Richtung ergibt. Diese Rotorblätter wiederum sind gelenkig an der Rotornabe befestigt, damit Sie auf- und abwärts schlagen können (Schlaggelenke) sowie vor und zurück schwenken können (Schwenkgelenke). Beide Gelenke sind wichtig, damit das Rotorblatt auf die wechselnden aerodynamischen, mechanischen, und gyroskopischen Kräfte reagieren kann. Ohne diese Gelenke würden sich die Rotorblätter instabil verhalten, und müßten stärker und schwerer gebaut werden, um den Flugbelastungen standzuhalten.

In den Jahren um 1970 entwickelten Modellflieger – allen voran Dieter Schlüter – die ersten brauchbaren Modellhelis. Bis heute arbeiten die meißten Modellhelis nach dem gleichen Grundprinzip, nämlich mit einem zusätzlichem Hilfrotor der eine wesentliche Stabilisierung der Rotorkreisebene vornimmt.

Wirkt eine Kraft auf die Achse eines Kreisels ein, so wird diese 90 Grad voraus in Drehrichtung wirksam. Da der Kreisel (= Rotor) sich dreht, versucht er zwar sich in die gleiche Richtung zu neigen wie die einwirkende Kraft es vermuten ließe, aber die Drehbewegung trägt die Kippkraft mit sich fort. Somit ist das max. Kippen oder Neigen (Roll und Nick) deshalb 90 Grad voraus in Drehrichtung. Sicher wurde schon oft der Efekt bemerkt, das sich die Rotorkreisebene bei stehendem Heli aber drehendem Rotor (auf dem Boden) bei einer Nickbewegung nicht genau in diese Richtung neigt, sondern eben 90 Grad in Drehrichtung verschoben.

In der Praxis wirken allerdings noch andere Gesetze, die dazu führen das 90 Grad nicht immer vollständig sichtbar sind. Aber warum um alles auf der Welt nun gerade 90 Grad ? Die Antwort ist sehr technisch, und enthält das Konzept mechanischer Resonanz. Genaueres kann ich nicht schreiben, da ich es nicht weiß, bzw. nicht verstanden habe, und es somit schon gar nicht erklären kann. In der Praxis sind es aber – wie schon gesagt – nicht immer exakt 90 Grad, verschiedene andere Faktoren ( z.B. Anzahl Blätter, Drehzahl) wirken auf das System ein, und verschieben diesen Wert.

Hauptrotorstabilität; bei kleinen Helis ist die Flugstabilität oft problematisch. Um diese zu verbessern, verwendet man sog. Paddel. Es handelt sich dabei um zwei meißtens beschwerte Stabilisatoren auf einer Stabistange/Wippe, die man von den Großhubschraubern kaum kennt. Zuerst ca. 1950 für Stanley Hiller für Großhubschrauber patentiert, wurden sie ca. 1970 von Dieter Schlüter auch bei Modellhelis eingesetzt. Da die Steuerung dieses Hiller Systems nicht direkt auf die Blätter wirkt, sondern auf die Hilfspaddel, ergibt sich hierdurch eine verzögerte Reaktion auf die Steuerbewegung des Piloten. Anders arbeitet das Bell/Hiller System, welches die direkte Blattansteuerung mit dem Hilfsrotor mischt, und somit rascher reagiert.

Ein großer Nachteil all dieser stabilisierenden Systeme ist der erhebliche zusätzliche Luftwiderstand, die von der Kreisfläche des Paddelsystems erzeugt wird. Darüber hinaus sind diese Hiller-Paddel arttypisch so ausgelegt, da sie mit null Grad Einstellwinkel relativ zur Rotorebene sitzen. Und da die vom Rotor durchgesetzte Luft fast immer von oben einströmt und abwärts gerichtet ist, arbeiten die Paddel mit objektiv negativem Anstellwinkel und erzeugen somit Abtrieb, der dem Auftrieb entgegensteht. In der Praxis macht sich diese neg. Eigenschaft allerdings nicht so dramatisch bemerkbar.

Welche Frequenzen

Welche Frequenzen (und Wellenlängen) gibt es eigentlich?

Zunächst etwas zum Verständnis von Frequenzen. Mit Frequenz ist eine Schwingung(sänderung) pro Sekunde gemeint. Es muss sich dabei keinesfalls in jedem Falle um eine Frequenz handeln, die ein Sender abstrahlt (Sender im Sinne von HF Sender und zughörigem HF Empfänger, HF = Hochfrequenz, wobei die Frequenzhöhe „relativ“ ist, denn was vor einigen Jahren als HF bezeichnet wurde, ist heute nicht mehr wirklich so zu bezeichnen.) Die Entwicklung geht eben weiter.

Also, zum Verständnis; ein normal gesunder erwachsender Mensch hat eine Herz(schlag)frequenz von ca. 1 Hz (1 Herz). Das bedeutet, sein Herz schlägt 1 x pro Sekunde. Beim Radio gibt es (gab es zumindest mal) die sogenannten „Wellenbereiche“. Umso länger eine Welle (eine Wellenlänge) ist, umso kleiner ist die Frequenz. Zurück zum guten alten Radio 🙂 Da gibts ja die „Langewelle“. Das sind also Frequenzen im Bereich von ca. 150 khz bis ca. 280 khz. Die Wellenlänge beträgt hier rund 1500 Meter!!! Bei der guten alten Mittelwelle geht es schon um Trägerfrequenzen von ca. 1000 Khz = 1 Mhz. Hier ist die Wellenlänge also rund 300 Meter lang. Auch noch ganz schön lang, oder ?

Dann gab es doch im Radio noch die sog. „Kurzwelle“. Das sind Frequenzen im Bereich von ca. 30 Mhz, und damit Wellenlängen von ca. immer noch sage und schreibe 10 Meter !!! So lang müsste eigentlich die Senderantenne und die Empfangsantenne sein. Aber es gibt ja technische Kniffe und es gibt ja auch Lambda Achtel Antennen, damit kommen wir hier auf Antennen mit ca. 1,25 Meter Länge. Unsere aktuellen 35 Mhz RC Anlagen arbeiten also in diesem Band.

Und so geht das weiter über das gute alte immer noch empfangbare UKW (Ultrakurzwelle) Band mit rund 100 Mhz Trägerfrequenz (100 Mhz = 100 Millionen Schwingungen pro Sekunde) und einer Wellenlänge von rund 3 Meter, über div. Funkgeräte (um die 250 Mhz), Schnurlostelefone (bei ab ca. 800 Mhz), Handys (1800 Mhz = 1,8 Ghz) über WLAN (auch um ca. 2,4 Ghz) eben bis hin zum bekannten 2,4 Ghz RC System, für das es freilich unterschiedliche Modulationsarten gibt.

Wellenlänge

Was bedeutet Wellenlänge

Generell muss man sich ja gar nicht um die Wellenlänge kümmern. Rein technisch betrachtet ist es aber freilich sehr wichtig, das eine Antenne(nlänge) genau auf die Wellenlänge abgestimmt ist. Wenn dies beim Radio oder Fernseher nicht korrekt abgestimmt ist, nun, dann ist eben der Emfang gestört, was durchaus ärgerlich sein kann. Wenn jedoch bei einem Modellhubschrauber der Empfang gestört ist, kann es im schlimmsten Falle richtig Ärger geben, nämlich dann wenn das „Teil“ beim Absturz Personenschaden verursacht.

Wie berechnet man die Wellenlänge?

Die Wellenlänge berechnet sich aus der Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/sek.) geteilt durch die Frequenz in Megaherz. Das Ergebnis ist die Wellenlänge in Meter. Mit Wellenlänge ist also die Länge einer Welle gemeint. Natürlich ist das der gleiche Abstand wie von Welle zu Welle. Umso höher die Frequenz, umso kürze die Welle. Bei einem Radiosender auf UKW 100 Mhz ist die Wellenlänge also 3 Meter.

Deswegen muss eigentlich eine Antenne immer so lang sein, wie die Wellenlänge, die sie empfangen soll. Verwendet werden aber heutzutage fast immer und in fast jedem Band sogenannte Lambda (=Wellenlänge) Viertel, oder gar Lambda Achtel Antennen, die eben 1/4 oder 1/8 der Wellenlänge lang sind. Deswegen sind UKW (Ultrakurzwelle = Radio mit FM) Antennen meist 75 cm lang.

35 Mhz noch aktuell?

Zwar ist generell nichts gegen das immer noch verfügbare 35 Mhz RC System einzuwenden, doch „clever“ und „intelligent“ ist dieses System nicht. Es ist extrem „statisch“. Und es bietet auch keine besonders hohe Bandbreite. Somit können große Mengen an Informationen nur schwerlich und vor allem nur bedingt in Echtzeit übertragen werden.

Der Sender strahlt auf einem 10 khz Kanalraster (damit auch eine geringe Bandbreite, aber andererseits wird auch keine grosse Bandbreite benötigt) ein üblicherweise FM (Frequenzmodulation) Signal ab. Der Empfänger „versucht“ nun dieses Signal zu empfangen. Doch ob es wirklich empfangen wird, davon erfährt der Sender nichts. Er weiss also gar nicht, ob sein Signal empfangen wird. Eigentlich nicht schlimm, aber eben nicht „clever“ und eben auch nicht „intelligent“.

Trägersignal

Trägersignal ist ja schön und gut, aber wie bekommt man da ein Nutzsignal zum übertragen drauf?
Wenn ein Sender ein Signal abstrahlt, dann handelt es sich um ein sog. „Trägersignal“. Das zu verstehen ist nicht schwer, denn dieses Signal „trägt“ eben die eigentliche Information. Diese Information wird „aufmoduliert“. Das ist in der Informationstechnik eine gängige Methode, „Informationen“ zu übertragen.

Früher hat man mit Rauchzeichen Informationen übertragen. Der Rauch war die Information, die Luft das Trägersignal 🙂 – hat auch funktioniert 🙂

Die Modulationsart FM

Das bekannte 35 Mhz RC System arbeitet bis auf wenige Ausnahmen mit einer sog. FM Modulation. FM = Frequenzmodulation; die Frequenz ändert sich aufgrund des Nutzsignales, dazu gleich mehr. 35 Mhz sind 35000 Kiloherz. Eigentlich ist das absolut betrachtet eine ziemlich hohe Frequenz. Letztlich wird es als „Kurzwelle“ bezeichnet, was eben bedeutet, dass die „Wellenlänge“ ziemlich „kurz“ ist. So kurz ist sie bei 35 Mhz aber auch wieder nicht. Richtig kurz sind aber z.B. die Wellen des 2,4Ghz RC Signales, doch dazu gleich mehr, auch zur Wellenlänge.

Der Kanalabstand beim „alten 35 Mhz System beträgt 10 khz. Innerhalb dieser Bandbreite wird also der „Träger“ (Trägersignal) nicht exakt auf einer Frequenz abstrahlen, sondern die Trägerfrequenz wird mal etwas höher sein, und mal etwas niedriger sein. Und zwar um genau dem Teil, der aufmoduliert wird.

Das bedeutet, das in der Amplitude / Im Hub der Modulation die Stärke des Signales enthalten ist, welches übertragen werden soll (beim FM Radio z.B. die Lautstärke des Senders) und in der Frequenz der Trägersignaländerung ist die Frequenz des Signales enthalten, welches übertragen werden soll (beim FM Radio ist das letztlich der Ton, also die Tonhöhe). Wenn Sie also z.B. beim FM Radio auf 100 Mhz einen Sender empfangen, und dieser Sender strahlt gerade einen Testton von 1 khz ab, dann bedeutet das, das der Sender mit seiner Trägerfrequenz mit einer Frequenz von 1 Khz ständig auf und abschwingt.

Im Rhytmus von 1 Kiloherz (= 1000 Herz = 1000 Änderungen pro Sekunde) ändert sich also die Trägerfrequenz. Sie schwankt mit 1 Kiloherz Frequenz zwischen 100 Mhz minus 1 Khz und zwischen 100 Mhz plus 1 Khz. Der Empfänger empfängt diese 100 Mhz dann, und filtert das Nutzsignal (aufmoduliertes Signal) heraus, und so erhalten wir dann wieder unseren 1 khz Ton. Genauso arbeiten die 35 Mhz RC Sender und Empfänger, nur das hier eben üblicherweise serielle Signale, nämlich die Signale aller Geber (Schalter, Schieberegler, Kreuzknüppel) übertragen werden. Und die neuen RC Systeme übertragen natürlich als Nutzinformation keine analogen Signale mehr, sondern freilich digitale. Ich denke, weiter sollte das hier nicht vertieft werden.

Modulation AM

Die (etwas ältere) Modulationsart AM?

AM bedeutet Amplitudenmodulation. Vom Grundprinzipg her wird auch hier ein Nutzsignal einem Trägersignal aufmoduliert, hier lediglich mit einem völlig anderem technischen Ansatz. Während z.B. bei FM die Amplitude des Trägersignales immer gleich bleibt, egal welches Signal gerade übertragen wird (lediglich die Frequenz und der Hub ändert sich bei FM aufgrund des Nutzsignales) ist dies bei AM nicht der Fall.

Hier ist die Frequenz konstant, und die Amplitude ändert sich. Das AM Verfahren wird in aller Regel bei sog. „einfachen“ Sendeanlagen verwendet, wo keine große Bandbreite, und somit keine große Datenmenge übertragen werden muss.

Die Radiowellenbereiche KW (Kurzwelle), MW (Mittelwelle), und LW (Langewelle) arbeiten alle mit dem AM Übertragungssystem. Die größe der verfügbaren Bandbreite hat übrigens generell nichts mit der Modulationsart zu tun, sondern wird (so weit ich mich noch von „früher“ errinnern kann) alleine von der Höhe der Frequenz bestimmt. Umso höher diese ist, umso höher ist die Bandbreite.

Deswegen ist die Bandbreite bei den heutigen 2,4 Ghz Anlagen ja auch so RIESIG 🙂

Zusammenfassung

Sie errinnern sich? Die Trägerfrequenz ist nur das Mittel zum Zweck. Ihr wird die eigentliche Information, mit Hilfe der Modulation aufmoduliert, diese Information wird im Empfänger wieder mit Hilfe der Demodulation isoliert, und als einzelne Information zur Verfügung gestellt wird. Und mit welcher Art und Weise eben diese Modulation erfolgt, besagt die Modulationsart. Da gibt es div. wobei es vom Grundsatz her nur zwei verschiedene gibt, nämlich AM (Amplitudenmodulation) und FM (Frequenzmodulation).

Doch diese beiden wieder können in div. unterschiedliche Verfahren verwendet werden, wobei heutzutage in der modernen Informationstechnik überwiegend sog. digitale Modulationsarten verwendet werden. Und da gibt es beim 2,4 Ghz System auch verschiedene…..ist also alles ganz schön kompliziert 🙂