Ein "Wunderwerk der Technik", daß sich etwas in der Luft halten kann und fliegen kann, das einen Rotor besitzt, der nicht angetrieben wird? Nein...
Es ist "simple" Physik umgesetzt in ausgeklügelter Technik.

Ein Artikel von Walter Schmidt zeigt, wie das Fliegen eines Tragschraubers "funktioniert".

Der Tragschrauber halb Hubschrauber, halb Flächenflugzeug

Der Tragschrauber (Gyrocopter) besitzt oberhalb des Fahrwerks einen kardanisch aufgehängten Rotor. Der Rotor dreht sich um eine senkrecht stehende Achse (Hochachse). Durch eine auskuppelbare flexible Wellenverbindung wird der Rotor auf die zum Start erforderliche Rotordrehzahl gebracht. Sobald die erforderliche Rotordrehzahl erreicht ist, wird diese Verbindung ausgekuppelt und die Motorleistung wirkt ausschließlich auf die rückwärtig platzierte Luftschraube mit waagerechter Drehachse gegeben. Der Tragschrauber wird horizontal beschleunigt, ab diesem Zeitpunkt wird der Rotor nur vom anströmenden Fahrtwind in Umdrehung gehalten. Dieser Betriebszustand wird mit Autorotation bezeichnet. Der frei im Luftstrom umlaufende Rotor ersetzt einen festen Tragflügel, hat gegenüber diesem jedoch den Vorteil, dass er auch bei geringer Fluggeschwindigkeit infolge der Eigendrehung Auftrieb erzeugt.

Warum fliegen Tragschrauber?
Beachten Sie im obigen Bild den schräg gegen den Fahrtwind geneigten Rotor.
Zum Vergleich die Kräfte, die an einem aerodynamischen Profil wirken:

Die anströmende Luft (dunkelblau) erzeugt einen Widerstandsvektor (hellblau) in Anströmrichtung und einen Auftriebsvektor (rot), der per Definition senkrecht auf der Anströmrichtung steht. Auftriebs- und Widerstandsvektor spannen ein Parallelogramm auf und bilden den resultierenden Vektor der Gesamtkraft (grün), die das Profil bei der Anströmung erzeugt. Bei Flugzeugen mit Motor wirkt im Horizontalflug der Propellerschub entgegen dem "bremsenden" Widerstandsvektor.

Wird der Anstellwinkel des Profils jetzt erhöht, ergibt sich folgendes Bild:

Das Parallelogramm ist also gleich geblieben, lediglich die Beträge der Kräfte haben sich geändert. Der Widerstandbetrag ist gewachsen und der Auftriebsbetrag ebenso. Mehr Widerstand bedeutet mehr erforderliche Motorleistung, mehr Auftrieb bedeutet mehr Steigen (oder weniger Sinken).

Stellen wir uns vor, die Tragflächen seien nicht fest am Flugzeug "angeschraubt", sondern über einen Rotorkopf drehbar gelagert, ergibt sich folgendes Bild:

Der Auftriebsvektor versucht also über seine Komponente in der Rotorebene das Profil nach oben zu ziehen = das Rotorblatt nach vorne zu ziehen. Der Rotor wird beschleunigt! Dem entgegen wirkt die Komponente des Widerstandsvektors in der Rotorebene. Sind beide Komponenten gleich groß, bleibt die Rotordrehzahl konstant.

Weil Widerstand und Auftrieb untrennbar miteinander gekoppelt sind, bleibt die Rotordrehzahl während des Fluges weitgehend konstant: Reduziert sich der Anstellwinkel, sinkt der Widerstand zusammen mit dem Auftrieb und umgekehrt. Es herrscht Kräftegleichgewicht.

Die Grafik gilt für ein voreilendes Rotorblatt, ein voreilendes Rotorblatt bekommt mehr Fahrtwind, ein zurückeilendes weniger. Die Rotordrehzahl muss also so hoch sein, dass auch beim zurückeilenden Rotorblatt die Anströmgeschwindigkeit noch so hoch ist, so dass das Blatt keinen Strömungsabriss erleidet, auch nicht beim Startlauf, wo es durch die Fahrtzunahme des Gesamtsystems noch weniger "Wind auf die Profilnase" bekommt. Deshalb ist es zwingend erforderlich, den Rotor vor dem Start über eine kritische Mindestdrehzahl zu beschleunigen (Vorrotation, von Hand oder per "Prerotator"). Andernfalls ist kein Start möglich. Während des Startlaufs beschleunigt der Rotor mit zunehmendem Fahrtwind solange bis der Auftrieb ausreicht, den Tragschrauber in die Luft zu heben, genau wie bei einem Flächenflugzeug.

Warum fliegen Tragschrauber (meistens!) stabil und sicher?
Der Rotor ist ein Kreisel, Kreisel neigen dazu ihre Lage im Raum beizubehalten. Wirkt auf einen Kreisel eine Kraft, "weicht er der Kraft in der Drehebene aus", er präzediert. Das voreilende Rotorblatt erzeugt mehr Auftrieb als das Rückeilende. Wäre es kein Kreisel, würde die Rotorebene nach links kippen (in der Rotation eilt das rechte Blatt voran).

Wegen der Kreiselwirkung wird der Tragschrauber jedoch vorne angehoben. Diesem Drehmoment um die Querachse wirkt ein mit zunehmendem "aufbäumen" ein ebenfalls zunehmendes Gegenmoment der Gewichtskraft entgegen ( Flugzeugrumpf + Pilot + Motor + Leitwerk + Kraftstoff hängen wie ein Pendel an der Rotorscheibe).

Mehr Schub vom Motor bedeutet mehr Geschwindigkeit = mehr Auftrieb. Weniger (oder kein) Schub vom Motor bedeutet weniger Geschwindigkeit = weniger Rotordrehzahl = weniger Auftrieb. Reicht die Rotordrehzahl nicht mehr aus, die Flughöhe zu halten, geht der Tragschrauber in einen Sinkflug über: Der Anstellwinkel steigt wieder an, der Rotor wird auf Drehzahl gehalten. Ein Tragschrauber kann also niemals "überzogen" werden, er kann gar nicht anders, als sich seine Fahrt zu holen.

Der Gleitwinkel ohne Motorleistung beträgt etwa 1:4 (UL- Flugzeuge haben bis zu 1:10), die Landerollstrecke beträgt aber nur 0 - 20 m, weil die Vorwärtsgeschwindigkeit dann sehr gering ist (typischerweise 20 bis 60 km/h ).

Wann verliert der Tragschrauber seine Stabilität?
Wenn der Rotor in einen negativen Anstellwinkel gerät, die Summe aus Luftströmung durch die Drehung um die Rotorachse und Fahrtwind also so sehr "schräg von oben" kommt, zieht die resultierende Auftriebskraft (bzw. deren Komponente in Rotorebene) das Blatt nicht mehr nach vorne, sondern nach hinten:

Das Blatt wird also durch die Auftriebs- und die Widerstandskraft abgebremst, bzw. die Auftriebskraft wird sehr klein im Verhältnis zur Widerstandskraft oder zeigt nach unten, wie im Bild dargestellt. Das bremst den Rotor stark ab, unterschreitet der Rotor seine kritische Mindestdrehzahl, kommt er auch nicht wieder auf Touren und der Pilot freut sich, wenn er ein funktionierendes Gesamtrettungssystem zur Verfügung hat.

Es gibt noch einen weiteren, unangenehmen Effekt. Im Normalflug schiebt der Propellerschub "zwischen" Rotorwiderstandsvektor und dem Widerstand von Pilot + Rumpf + Fahrgestell. Wird der Anstellwinkel kleiner, sinkt zunächst auch der Widerstand des Rotors und geht auch gegen Null. Bei vollem Schub dreht der Tragschrauber also um das Zentrum seiner Widerstandskräfte: Der Tragschrauber kippt vorne über. Was schlagartig zu einem (sehr) negativen Anstellwinkel der Rotorblätter und zu den oben erläuterten, hässlichen Effekten führt.

Ein Dankeschön an Walter Schmidt, daß wir seinen Artikel hier verwenden dürfen.

Damit ein ultraleichter Tragschrauber in Deutschland sich auch Tragschrauber nennen darf, muß er gewisse bauliche Randbedingungen erfüllen. Diese sind in den sogenannten Bauvorschriften festgelegt.
Wer einmal darin stöbern möchte, hier gibt es sie zum Nachlesen als pdf-Datei (225 kB).

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