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Zellebaugruppen und Hubschraubersteuerung

Gelenktragschraube

Lehrtafel Steuerung einer Mi-24, Original im FP-Museum CottbusBei einrotorigen Hubschraubern werden alle Steuerungsfunktionen und die Erzeugung des (Vorwärts-) Schubes von der Tragschraube und der Heckschraube ausgeführt.
Sämtliche Ergebnisse der Betätigung des jeweiligen Steuerorganes zur Flugzustands- und Fluglageänderung gehen auf Veränderungen in der Verteilung der Ein- und Anstellwinkel über die Ebene der Tragschraube oder Heckschraube mit den entprechenden Änderungen der Luftkräfte nach Betrag und Richtung zurück. Bei Verbundhubschraubern übernehmen die Tragflächen in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit einen bestimmten Teil der Auftriebserzeugung und entlasten damit die Tragschraube. Solche Verbundhubschrauber sind die Mi-6 und die Mi-24 - wenn auch mit kleineren Tragflächen.

Elemente der Steuerung Tragschraubennabe und BlattaufhängungDie Tragschraubennabe mit der Blattaufhängung besteht aus 3 Gelenken:

  • Axialgelenk
    Gewährleistet die Drehung des Blattes um seine eigene Achse und ist damit verantwortlich für den Einstellwinkel. Bei nahezu allen Hubschraubertypen wird das komplette Blatt gedreht.
  • Schwenkgelenk
    Gewährleistet die Bewegung des Blattes in der Drehebene. Durch aerodynamische Kräfte eilt das Blatt in der Drehebene voraus oder bleibt zurück gegenüber der Verlängerung des Radius vom Mittelpunkt der TS-Nabe durch das Schwenkgelenk.
  • Schlaggelenk
    Damit kann das Tragschraubenblatt nach oben oder unten gegenüber der Drehebene kippen, um veränderten Auftriebskräften Rechnung zu tragen (siehe Aerodynamik).

Blattbewegungen Belastung des Blattes durch Biegemomente

Grundsätzlich ist das Tragschraubenblatt damit in allen 3 Richtungen beweglich. Diese Bewegungsfähigkeit ist erforderlich, da die auftretenden Kräfte am Tragschraubenblatt (insbesondere hervorgerufen durch Schlagen und Schwenken der Blätter) während der Flugmanöver eine Belastung des Blattes darstellen, die ohne weitere Maßnahmen die Belastungsgrenze des Materials überschreiten können. Die am Blatt auftretenden Biegemomente sind nebenstehend vereinfacht aufgezeigt.

Bei technologisch modernen Hubschraubern kann auf Grund des zur Verfügung stehenden Materials (Glasfaser-Verbundwerkstoffe, Titanlegierungen) die Belastungsgrenze erhöht werden. Da die Materialien und damit die Blätter als solche die höhere Belastungen durch die Flugmanöver aushalten, entfallen Teile der Gelenk nabe. Hier wird in aller Regel auf Schlag- und Schwenkgelenk verzichtet, da das Blatt selbst die Belastungen aufnimmt. Das Axial gelenk wird i.A. beibehalten, damit das Blatt um seine Achse zur Änderung des Einstell winkels drehbar ist. Dafür wird oft der Begriff halbstarre oder starre Tragschraube gegenüber der Gelenktragschraube verwendet. 
Allerneueste Technologien bei der Herstellung der Blätter erlauben allerdings schon Konstruktionen völlig ohne Gelenke. Alle Kräfte werden komplett von den Blättern aufgenommen, auch die notwendige Einstellwinkelveränderung wird allein durch Verwindung der Blätter realisiert. Zu finden sind solche Konstruktionen beispielsweise am PAH-2 Tiger.

Damit die Bewegungen der "klassischen" Tragschraube um die Achse der jeweiligen Gelenke nicht unbegrenzt fortgeführt werden kann, gibt es hydraulische Schlag- und Schwenkdämpfer, welche der Blattbewegung zunehmenden Widerstand entgegensetzen und den Bewegungsspielraum vermindern. 
Im Bereich von geringen Tragschraubendrehzahlen, wenn die Blätter auf Grund der geringen Flieh- und Auftriebskraft noch stark durchhängen, ist die Gefahr des Aufschlagens auf dem Heckträger bei einem Ziehen des Steuerknüppels besonders hoch. Aus Sicherheitsgründen existiert hier ein Schlagbegrenzer, der den Schlagwinkel nach unten begrenzt. 
Im Fluge ist die Gefahr des Aufschlagens auf dem Heckträger normalerweise geringer, da die Blätter durch die Fliehkraft und die größeren Auftriebskräfte stets "nach oben" wollen. Die Begrenzung des Schlages nach unten wird dann mittels desFliehkraftdurchhangsbegrenzers außer Funktion gesetzt. So werden auch härtere Manöver möglich, wenngleich noch immer Begrenzungen für die Geschwindigkeit beim Ziehen des Knüppels bestehen. Gefahrenmomente entstehen im Flug z.B. durch energische Manöver wie das Ziehen am Steuerknüppel: der Tragschraubenkegel kippt nach hinten, auf Grund der gelenkigen Aufhängung kommt der Rumpf nur relativ langsam nach.

Schlagen des Blattes, TSK-Neigung Fliehkraft-Durchhangsbegrenzer Hydraulischer Schwenkdämpfer

Die Schlagbewegung hat unabghängig von diesem Fliehkraftbegrenzer Grenzen, denn die Beweglichkeit des Gelenkes hat ihrerseits Limits. Bei energischem und raschem Drücken des Steuerknüppels (und damit Neigen des Tragschraubenkegels nach vorn) kommt es schon vor, dass die Blätter kurzzeitig so weit nach unten ausschlagen, dass der Anschlag erreicht wird. Die dabei entstehende Vibration ruft durchaus unwillige Reaktionen des Fluglehrers hervor... Ebenso passiert es am Boden beim Rollen relativ häufig, dass dieser Anschlag erreicht wird.
Der Schwenkdämpfer bremst die Bewegung des Blattes in der Drehebene, welche ihrerseits eine Folge der Schlagbewegungen des Blattes ist. Der Verlagerung des Massenschwerpunktes der Tragschraube zieht eine Unwucht nach sich, Schwingungen sind die Folge, die am Boden bis zur Bodenresonanz anwachsen können. Wichtig ist, dass bei allen Blättern ein gleicher Dämpfungskoeffizient erreicht wird. Der mögliche Schwenkbereich des Blattes beträgt am Blattende der Mi-8 immerhin gute 4m!

Die Entwicklung der Gelenktragschraube geht auf den Spanier de la Cierva zurück, der bereits in den 20er und 30er Jahren diese Konstruktion entwickelte und in seinen Tragschraubern ("Autogiro") zum Einsatz brachte.

Die Gelenktragschraube dient damit der Verringerung der am Tragschraubenblatt auftretenden Biegemomente. Sie gewährleistet die Einhaltung der Materialgrenzen und gleichzeitig die Steuerbarkeit. Die Steuerbarkeit kann jedoch auf Grund des so erreichten Verringerns der Materialbelastung nicht optimal werden - Vergleiche mit den Flugmanövern moderner Hubschrauber (nahezu ohne Blattmaterialbeschrän­kungen) zeigen dies eindrucksvoll.

Technische Daten Tragschraubennabe Mi-8
Parameter Größe
Durchmesser   1,744m
Schlagwinkel oben 25° +-30'
  unten (mit Begrenzung) 1°40' +-20'
  unten (ohne Begrenzung) 4° +10' -20'
Schwenkwinkel Drehrichtung 13° +-15'
  gegen Drehrichtung 11° +-10'
Einstellwinkel min
  max 14° +-30'
Masse ohne Schmierstoff 610kg

Die Tragschraube muss für die Steuerbarkeit des Hubschraubers den von ihr erzeugten Auftrieb (Tragschraubenresultierende) neigen. Dazu wird der weiter unten beschriebene Schrägstellautomat benutzt, der eine Veränderung der Auftriebskräfte in den unterschiedlichen Punkten während einer Tragschraubenumdrehung realsiert. Beim Vorwärtsflug wird der Tragschraubenschubvektor nach vorne geneigt; an den hinteren Blättern steigt die Auftriebskraft, vorn sinkt sie. Somit bedingt jedes Blatt entsprechend seiner Auftriebskräfte mehr oder weniger große Kräfte an seiner Aufhängung, der Tragschraubennabe, welche nun die Kräfte auf die Hubschrauberzelle in geeigneter Form übertragen muss, ohne die Beanspruchungsgrenzen des Materials zu überschreiten. 

Als Elemente zur Steuerung des Tragschraubenkegels dienen:

  • Längssteuerung
    Bedienelement: Steuerknüppel, wird in Richtung der x-Achse bewegt
    Neigung der Luftkraftresultierenden FR als Ergebnis der Bewegung
    Es entsteht ein Moment um die z-Achse und eine Kraft entlang der x-Achse
  • Quersteuerung
    Bedienelement: Steuerknüppel, wird in Richtung der Y-Achse bewegt
    Seitliches Neigen der Luftkraftresultierenden
    Es entsteht ein Moment um die x-Achse und eine Kraft entlang der z-Achse
  • Seitensteuerung
    Bedienelement: Pedale
    FR der Heckschraube wird betragsmäßig geändert
    Es entsteht ein Moment um die Y-Achse
  • Höhensteuerung
    Bedienelement: Gassteigungshebel
    gemeinsame Änderung der FR aller Tragschraubenblätter (Einstellwinkel)
    Es entsteht eine Kraft entlang der y-Achse

Mi-8 Tragschraube und Schrägsteller Mi-8 Tragschraube und Schrägsteller Mi-2 Tragschraube und Schrägsteller Mi-8 Tragschraube und Schrägsteller Bo-105 Tragschraube PAH-2 Tiger Tragschraube CH-53 Tragschraube

Aufbau des Tragschraubenblattes (hier: Mi-8)

Druckkontrolle im Holm, Riß-Signalisator Schauglas und Druckdose am Tragschraubenblatt einer Mi-8 Tragschraubenblatt Mi-8 Schnitt (Exponat FP-Museum Cottbus)Das recht eckig geformte Trag­schrau­­ben­blatt dient zur Erzeu­gung des Auf­­triebes. Der Profil­holm ist das durchgehende tragende Element des Blattes und aus Alu-Spritzguss. Zur Sicherung seiner Unver­sehrtheit ist der Holm mit Druckluft befüllt. Ein Schauglas des Rißsignalisators an der Blattwurzel zeigt im Normalfall weiße Farbe, bei abnehmendem Druck wird ein roter Kolben sichtbar.
Das Blatt ist aus Stabilitätsgrunden in Segmente unterteilt (Mi-2: 20, Mi-8:21 Segmente), die jeweils eine Aluminium-Wabenfüllung enthalten. Zum Schutz vor Erosionsabrieb enthalten die meisten Segmente Stahl-Titan-Blättchen.
In der Nasenkante ist ein elektrisches Heizelement der Enteisungsanlage integriert. Sie enthält außerdem die Antiflattergewichte. Im Endstück (außen) ist ebenfalls die Beleuchtung für den Tragschraubenkreis (Konturenbeleuchtung) integriert.

Schrägstellautomat

In den Urzeiten der Hubschrauberfliegerei ist die Tragschraubenresultierende durch das Neigen der Tragschraubenachse zumindest experimentell bewegt worden. Bei modernen Hubschraubern gibt es ausschließlich die Steuerung über die Veränderung der Einstellwinkel der Tragschraubenblätter in jedem Punkt der Bewegung der Tragschraube um den Hubschrauber. Soll ein Vorwärtsflug durchgeführt werden, muss die Tragschraubenresultierende nach vorn geneigt werden, was durch die Erhöhung des Einstellwinkels hinten und die Verringerung des Einstellwinkels vorn erreicht wird. Die Folge ist ein vergrößerter Auftrieb in der hinteren Hemisphäre des Tragschraubenkreises, während er vorn sinkt. Für die Umsetzung der Einstellwinkeländerung ist der Schrägstellautomat verantwortlich, er realisiert die zyklische und kollektive Änderung des Einstellwinkels.

Prinzip des klassischen Schrägstellers. Er realisiert die kollektive und zyklische Blattverstellung. Mi-8 Schrägstellautomat Mi-8 Schrägstellautomat

Die Steuerung des Vektors der Tragschraubenresultierenden erfolgt durch die unterschiedliche Ansteuerung der Tragschraubenblätter über den Tragschraubenkreis. Der Einstellwinkel der Tragschraubenblätter kann in jedem Winkel während des Umlaufes eines Blattes beeinflusst werden. Die Taumelscheibe als Kernstück wird mit Hilfe des Steuerknüppels in die jeweilige Richtung (rechts, links, vorn, hinten) geneigt und mit Hilfe des Gassteigungshebels insgesamt gehoben und gesenkt. Der Gassteigungshebel bewirkt eine kollektive Veränderung des Einstellwinkels, so dass eine Auftriebsveränderung an jedem Punkt des Tragschraubenkreises gleich ist. Die Taumelscheibe führt die Blattzugstangen auf ihrem Weg bei der Umdrehung der Tragschraube, so dass diese gewissermaßen den Weg auf der Taumelscheibe "abfahren" und eine Änderung des Einstellwinkels gemäß der Neigung der Taumelscheibe erfahren. Damit wird entsprechend der Steuerknüppelstellung der Auftrieb in einem Bereich der Tragschraube (beispielsweise hinten rechts) erhöht, während er am komplementären Abschnitt sinkt. Ergebnis ist die Neigung der Tragschraubenresultierenden und des Tragschraubenkegels (siehe Kräftedarstellung weiter oben, bei TS-Nabe).

In der Praxis ist der mechanische Aufbau etwas komplizierter. Um die Tragschraubenachse befinden sich auf einer Gleitbuchse mit einem Steuerkopf 2 Kardanringe (innerer und äußerer Kardanring), die in ihrer Neigungsachse um 90° versetzt sind und in Summe in jede Richtung gegenüber der TS-Achse kippbar sind. Daran ist die Taumelscheibe befestigt, über ein Mitnehmergelenk dreht sich die Taumelscheibe immer synchron mit der Tragschraubenachse. Damit kann sie nicht "hinterherhängen", die Blattzugstangen verlaufen somit auch immer in der vorgesehenen senkrechten Richtung auf und ab.

Klassischer, außen und unterhalb liegender Schrägsteller

(Die Bezeichnung "klassisch" ist von mir gewählt worden. Tatsächlich gibt es wohl kein gesondertes Wort dafür). Diese Form ist bei den meisten Hubschraubertypen, egal welchen Herstellers, zu finden. Der Aufbau ist zwar unverändert komplex, lässt aber infolge der Anordnung den meisten Spielraum in der Konstruktion zu.

Funktionsschema des klassischen Schrägstellers

Um die Tragschrau­benwelle befindet sich ein kardanisch aufgehängter Ring ("Taumelscheibe", im Russischen als "тарелка"= "Teller­chen" bezeichnet), der über einen Mit­nehmer zwangs­weise mitgedreht wird. 

Taumelscheibe (Wikipedia)

An seiner Außenseite sind die Blattzugstangen befestigt; sie bewegen sich entsprechend der räumlichen Stel­lung dieser Taumel scheibe auf und nieder und ändern so den Einstellwinkel der Blätter in Abhängigkeit von der Position im Rotorkreis.

Die Taumelscheibe wird durch die Längs- und Quersteuerung in ihrer Neigung geändert, dazu greifen von unten kommend die Steuergestänge links/ rechts/ vorne/ hinten an (wobei hier ggfs. typische Abweichungen bestehen, z.B. durch Vorverlegen der Ansteuerung). Auf diese Weise wird die zyklische Steuerung realisiert. Die kollektive Steuerung wird durch das komplette Heben oder Senken der Taumelscheibe bewerkstelligt, ohne die räumliche Neigung der Taumelscheibe zu ändern.

Wer dazu gerne mal eine filmisch gut gemachte Erklärung ansehen möchte, der schaue sich einen Beitrag aus der Sendung mit der Maus an. Dort wurde an Hand der EX-135 die Funktionsweise durchaus kindgerecht erklärt.

Oben liegender Schrägsteller -"Westland Spider Control"

Funktionell ist dieses Verfahren identisch mit dem klassischen, außen und unterhalb liegenden Schrägsteller, jedoch vermindert man hier mechanischen Aufwand und benötigt weniger Platz zwischen Zelle und Blättern. Angewendet wurde dieses Prinzip zuerst im britischen Bristol Sycamore unmittelbar nach dem 2.Weltkrieg. Offiziell ist die heutige Bezeichnung des Systems "Westland Spider Control", was aus einer Konsolidierung und Verlagerung des britischen Hubschrauberbaus in den Westland-Konzern resultiert. Entwickelt wurde die Art der Steuerung vom Österreicher Raoul Hafner, der 1944 nach Großbritannien übersiedelte, unter der Patentbezeichnung "Cyclic Pitch Control". 

Funktionsschema des obenliegenden Schrägstellers -

Funktionsweise: Das Steuergestänge kann sich innerhalb des Rotormastes nach oben und unten verschieben; hierüber wird die kollektive Blattverstellung realisiert. Das Heben und Senken des Steuergestänges bewirkt ein Betätigen der Steuerstangen zu den Blättern hin, diese werden in gleichem Maße in ihrem Einstellwinkel verringert oder vergrößert.

Für die zyklische Blattverstellung kann das Steuergestänge in einem sphärischen Lager innerhalb des hohlen Rotormastes gedreht bzw. in jede Richtung geneigt werden. Die Neigung reicht aus, um an den Blättern eine unterschiedlich starke Veränderung des Einstellwinkels vorzunehmen. Wird beispielsweise die Steuerstange nach vorn geneigt, nehmen die Blattverstellhebel im hinteren Teil des Tragschraubenkreises eine Einstellwinkelvergrößerung vor, im vorderen Teil wird die Blattsteuerstange nach unten gedrückt und vermindert den Einstellwinkel.

Sycamore-Schrägsteller. Bild mit freundlicher Genehmigung von B.Domke

Der Rotormast muss bei diesem Verfahren relativ kurz gehalten werden, um einen hinreichend großen Spielraum für die Neigung der Steuerstange (zyklische Verstellung) zu haben. Im Gegenzug entfällt der kompliziertere Taumelscheiben-Mechanismus, auch wenn die Steuerung und das Verhalten mit diesem nahezu gleich sind. Der "Schnittpunkt" zwischen rotierenden (Rotormast) und nichtrotierenden Teilen (Steuerstange) ist hier das sphärische, verschiebbare Lager im Inneren des Rotormastes.

Die Blattsteuerstangen werden im Gegensatz zu den meisten anderen bekannten Lösungen von oben an die Blätter geführt. Das Aussehen dieses Mechanismus´ erinnert an die namensgebende Spinne ("Spider").

Die nebenstehende Darstellung ist im Interesse der Übersichtlichkeit nicht ganz richtig: das Gelenk, das sich zwischen von oben kommender Steuerstange und Blattstange befindet, ist auf der Höhe des sphärischen Lagers. Nur so ist sicher gestellt, dass bei einer Neigung des Steuergestänges beispielsweise nach vorne oder hinten die Blätter, die sich momentan an der Seite befinden, nicht beeinflusst werden.

Innen liegender Schrägsteller (Westland)

Innen liegender Schrägsteller

Das Konstruktions­prinzip weist große Ähnlichkeit mit dem zu vor be­schriebenen Spider-System auf und stellt im Grunde eine Wei­terentwicklung desselben dar. Nicht ohne Grund - immerhin wird auch dieses Prinzip von Westland z.B. in der Lynx genutzt.

Nabe und Schrägsteller Lynx. Bild mit freundlicher Genehmigung von B.Domke

Der Mechanismus der "Spinne" wird in das Innere der Rotor­welle verlagert, statt eine außen liegende Taumelscheibe zu nutzen. Während der Mechanismus bei der Sycamore noch oberhalb der Nabe sitzt und den typischen "Spinnen-­Eindruck" hinter lässt, ist er nun im Inneren der Welle verborgen und von außen nicht zu erkennen. Äußerlich sind nur die 4 Steuerstangen zu sehen, die durch Löcher in der Rotorwelle heraus geführt, allerdings durch eine Manschet­te geschützt werden. Die Stangen greifen ihrer seits über ein Gelenk an die Blatt­zugstange an, die nun wieder von unten an das Blatt stößt. Das macht den Aufbau insgesamt sehr kompakt und u.U. auch weniger verwundbar.

Durch die kürzere Steuerstange ist der notwendige Neigungsspielraum für die zyklische Verstellung besser zu bewerkstelligen als bei der Sycamore.

Blattverstellung nach Kaman (servo flaps)

Bei der Mehrzahl aller aktuellen Hubschraubertypen wird für die Veränderung des Blatteinstellwinkels das gesamte Blatt um sein Axialgelenk gedreht; das bewerkstelligen i.A. Blattzugstangen, die direkt vom Schrägsteller in ihre Position gebracht werden. Damit wird für die Verstellung des Blattes eine recht große Kraft aufgebracht, da je nach Blattgröße bereits enorme Luftkräfte auf das Blatt wirken bzw. dort entstehen. Diese sind auch der Grund für den bei größeren Hubschraubern notwendigen Einsatz von Hydraulikverstärkern in der Steuerung.
Einen anderen Weg beschritt Charles Karman, der später das Unternehmen Kaman Aerospace gründete. Bereits im Jahre 1945 entwickelte er eine Blattsteuerung, die als servo flaps bezeichnet wird. Dabei wird nicht das gesamte Blatt durch Blattzugstangen gedreht, sondern nur eine kleine Steuerfläche, die sich im Luftstrom hinter dem Blatt befindet und nach oben oder unten ausschlagen kann. Ursprünglich geht das Konzept der Steuerflächen jedoch auf Raul Pescara zurück, der bereits im Jahre 1922 damit experimentierte.
Funktionsprinzip der servo flaps von Kaman
Ein Ausschlag der kleinen Steuerfläche nach oben drückt die Hinterkante des Blattes nach unten und erreicht somit eine Blattdrehung, die ihrerseits den Einstellwinkel vergrößert. Im Gegenzug funktioniert auch die Steuerflächendrehung nach unten, die das Blatt so dreht, dass der Einstellwinkel vergrößert wird. Die erforderliche Kraft zur Drehung des Blattes wird also nur duch die Luftkräfte der Steuerfläche aufgebracht; insofern wirkt sie kraftverstärkend gegenüber dem ursprünglichen Steuerausschlag. Üblich ist eine solche Steuerung auch bei Flächen-Fliegern; so funktionieren beispielsweise viele Trimmruder nach diesem Prinzip, das dort den Namen Flettner-Ruder trägt.
Kaman RotorsteuerungDie Übertragung der Steuerbewegung zu den servo flaps ist mechanisch aufwändig. Die Steuergestänge für den Längs- und Querkanal verstellen einen Kardanring, der über seine Neigung nach vorn/ hinten/ seitlich die zyklische Blattverstellung realisiert. Vom Kardanring (der also auch in diesem Hubschrauber die Funktion eines Schrägstellers übernimmt) führen 2 Steuerstangen (für jedes Blatt eine) bis zu den Blättern; über verschiedene mechanische Bauteile wird die Bewegung umgelenkt, so dass am Ende die Steuerfläche nach oben und unten bewegt werden kann.
Die kollektive Blattverstellung wird über ein Heben bzw. Senken des gesamten Kardanringes umgesetzt.
Diese Art der Steuerung wird seit dem ersten Kaman-Helikopter K-125 (1947) eingesetzt und findet sich aktuell auch im K-Max K1200. Die Besonderheiten von Kaman-Hubschraubern -die Ausrüstung mit zwei gegenläufigen, ineinander kämmenden Rotoren (Flettner-Prinzip)- sind bekannt, haben aber keinen ursächlichen Zusammenhang mit den hier beschriebenen servo flaps. Diese ließen sich an beliebigen Hubschraubern einsetzen.

Kaman-PatentKaman-PatentCharles Kaman erhielt 1949 das Patent auf (s)einen Hubschrauber. Da hier die Gesamtheit in das Patent eingeht (Flettner-Prinzip und servo flaps), wäre wohl die Reduktion auf servo flaps unfair, aber dennoch bereits herausragend.

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z hubC1s
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Bilder mit freundlicher Genehmigung von Masayuki Aiba, Japan.

Kaman-Hubschrauber und das Flettner-Prinzip

Steuerung des Kaman-Hubschraubers (flight manual)Das bei Kaman aktuell angewendete Flettner-Prinzip mit den beiden gegenläufigen Rotoren bringt für den Hubschrauber aerodynamische Vereinfachungen: während an einrotorigen Hubschraubern ein Drehmomentausgleich am Heckträger vorgenommen wird (Heckschraube oder funktionell identische Einrichtungen), heben sich die Rückdrehmomente dieser beiden Rotoren beim Kaman auf. Die Richtungssteuerung und -stabilität vereinfacht sich also enorm, und es steht ebenso mehr Leistung für die Auftriebserzeugung zur Verfügung, da keine Leistung für die Heckschraube "abgezweigt" wird.
Dagegen muss ein großer mechanischer Aufwand betrieben werden, um eine kollektive Blattverstellung und die  Richtungssteuerung (Drehung um die Hochachse) zu ermöglichen. Die kollektive Blattverstellung wird durch den Gassteigunsghebel (Pitch) geführt, er bewegt die Schrägsteller beider Rotoren in gleichem Maße auf und ab. Die Richtungssteuerung wird realisiert, indem beiden Tragschrauben unterschiedlich große Drehmomente zugeführt bekommen; zu beachten ist, dass dabei das Gesamtdrehmoment (als Summe der Momente beider Rotoren) in seiner Größe nicht verändert werden darf, da ansonsten die Maschine steigt oder sinkt. Umgesetzt wird dies über ein Differential, das bei Treten des Pedals die kollektive Steigung der einen Tragschraube erhöht und die der anderen in gleichem Maße verringert, dabei aber die Grundeinstellung der mit dem Pitch vorgegebenen kollektiven Steigung beibehält. Für die Differenzbildung ist der in der Grafik als Reverser bezeichnete Mechanismus zuständig.
Das ganze funktioniert also wie eine Wippe. Wenn der Hubschrauber nicht dreht, steht der Balken waagerecht, beide Rotoren werden mit derselben kollektiven Einstellung betrieben. Die grundsätzliche Einstellung wird dabei durch die Höhe des Drehpunktes vorgegeben; Ziehen am Pitch bewegt also die gesamte Wippe hoch oder herunter. Der Ausschlag des Balkens zu der einen oder anderen Seite ruft eine Differenz der Einstellwinkel beider Rotoren hervor (und damit der Drehmomente), die betragsmäßige Summe beider Drehmomente bleibt jedoch konstant.

Da die Tragschraubenachsen nahe beieinander liegen, werden recht ähnliche aerodynamische Verhältnisse wie bei einem Koaxialsystem (Kamow) erreicht. In der Tat erfolgt bei diesem ebenso die Drehung um die Hochachse durch eine Drehmoment-Differenz infolge unterschiedlicher Einstellwinkel der beiden Rotoren.

Steuerknüppel und Gassteigungshebel

Steuerknüppel der Mi-8

Wichtigstes Bedienelement der Tragschraubensteuerung ist derSteuerknüppel, der nach vorn/hinten und rechts/links beweglich ist. Zusätzlich sind an diesem Bedienelemente angebracht, wie der Kampfknopf (mit separater Sicherung!), 2 Funkknöpfe (intern/ Funk), Trimmerschalter, Ausschalter für Autopilot und der Radbremshebel.

Die Bewegungen des Steuerknüppels werden über eine Gestänge und die Kraftverstärker an den Schrägstellautomaten weitergeleitet. Die Angriffspunkte des Längs- und Querkanals sind dabei entsprechend der Abweichung des Angriffspunktes der Blattzugstangen von Profilmitte korrigiert, wobei hier noch zusätzliche aerodynamisch notwendige Korrekturen in diese Winkelverschiebung eingeflossen sind. Die Winkel sind bei der Mi2- und Mi-8 verschieden (siehe Beschreibung der TS-Nabe).

Der Schrägstellautomat wird, wenn beide Räder des Hauptfahrwerkes auf dem Boden aufsitzen (elektrischer Schalter), in seinem möglichen Längsneigungswinkel nach hinten begrenzt. Dies dient zur Sicherheit vor dem Aufschlagen der Tragschraubenblätter auf dem Heckträger. Im Fluge ist diese Begrenzung auf Grund des nichtgeschlossenen Hauptfahrwerksschalters nicht vorhanden. Über ein hydraulisches Ventil, das mit einer Feder kombiniert ist, wird das Ausschlagen der Taumelscheibe nach hinten begrenzt. Diese Feder kann jedoch überdrückt werden (ca. 20kp), um in Gefahrensituationen, z.B. bei nichtfunktionierender Fahrwerksbremse, die Tragschraube zum Bremsen zu benutzen.

Gassteigungshebel der Mi-2 Gassteigungshebel der Mi-8

Für die kollektive Verstellung der Tragschraubenblätter ist der Gassteigungshebel zuständig, der sich jeweils links vom Sitz befindet. Mit dem GSH wird ebenfalls die Triebwerksleistung gesteuert, da diese in unbedingter Abhängigkeit vom Trag schraubenschritt geregelt werden muss:
Ein Ziehen des GSH führt zur Erhöhung des Tragschrau­benschrittes und damit zu größerem Widerstand. Infolgedessen muss die Triebwerksleistung in gleichem Maße erhöht werden. Da ebenfalls noch zwei Hebel für die Triebwerkeinzelsteuerung und das Drehgas (Drehgriff am Gassteigungshebel) vorhanden sind, wurde ein mechanisches Differenzial eingebaut.

Tragschraubenschrittanzeige

Das Differenzialgetriebe erfüllt folgende Aufgaben:

  • Gleichzeitige Steuerung beider Triebwerke durch den Gassteigungshebel mit der Veränderung des Tragschraubenschrittes
  • Gleichzeitige Steuerung beider Triebwerke durch das Drehgas, ohne Änderung des TS-Schrittes
  • Getrennte Steuerung der Triebwerke mit dem HTWE ohne Änderung des TS-Schrittes.

Die Größe der kollektiven Verstellung der Tragschraubenblätter mittels des Gassteigungshebel wird auf einem Anzeigegerät auf dem linken Instrumentenpult (Mi-8) angezeigt.

Heckschraube

Heckschraube Mi-8 Pedale Mi-8 Funktionsmodell Heckschraubensteuerung Mi-24 (Exponat FP-Museum Cottbus) Die Steuerung der Heckschraube folgt den gleichen Prinzipien wie die Verstellung der Tragschraube, nur dass hier ausschließlich die kollektive Verstellung erforderlich ist. Ein Schwenkgelenk entfällt, da hier das Blatt die Kräfte in ausreichendem Maße aufnehmen kann. Das Schlaggelenk wird durch eine karda­nische Aufhängung der Heckschraube ersetzt. Die Heckschraubenresultierende muss sich stets nur entlang der Heckschraubenachse befinden, sie muß nicht nach vorn, hinten, oben oder unten aus der Richtung gebracht werden. Die Einstell winkel steue­rung der Heckschraube erfolgt mittels der Pedale, die Bewegung wird mit Seilzug und Gestängen auf die Heckschraubenansteuerung übertragen. Die Einstellung des kollektiven Winkels erfolgt dort nicht mit einem Schrägsteller, sondern mit einem Spindelmechanismus, der die Blattzugstangen mehr oder weniger stark "ausfährt".

Trimmer

Der Einsatz rückwirkungsfreier Kraftverstärker im Hubschrauber erfordert die Schaffung eines Steuergefühls für den Hubschrauberführer. Dies wird mit einer Trimmung erreicht. Die Trimmung ermöglicht ebenfalls die Wahl einer belastungsfreien zentrierten Stellung des Steuerknüppels. Im Hubschrauber kommt die Trimmung im Längs- und Querkanal zum Einsatz, im Seitenkanal in etwas veränderter Form. In der Mi-2 wird die Trimmung mittels eines Steuerknopfes auf dem Steuerknüppel bedient, die den Neutralpunkt eines Federbelastungsmechanismus elektromotorisch verschiebt. Damit wurde eine analoge Verschiebung des Neutralpunktes möglich, so konnte man den Hubschrauber z.B. auch bei Ausfall des Hydrauliksystems mit der Trimmung steuern; man "fuhr" gewissermaßen mit dem Trimmknopf den Steurknüppel herum.
In der Mi-8 wurde ein anderes Prinzip angewandt. Bei Knopfdruck wurde elektromagnetisch ein Federmechanismus entlastet. Ein Auslenken des Steuerknüppels brachte nun über den Federmechanismus eine zunehmende Belastung für den Hubschrauberführer, was ihm ein Steuergefühl geben sollte. In der Praxis emppfand man es jedoch als unnatürlich, und entsprechend wurde auch die Handhabung des Trimmers etwas abgewandelt: bei Steuerbewegungen wurde in kurzen Abständen (kann durchaus 2-3 mal pro Sekunde gewesen sein) der Trimmknopf gedrückt und wieder losgelassen, so dass man nur einen ganz kurzen Federspannweg erreichte und gewissermaßen fast ohne Federdruck flog. Einzig beim Flug ohne Autopilot, bei dem mehr Gefühl gefragt ist, drückte man den Knopf auch länger und steuerte den HS auch mal ohne Belastung.

Im Seitenkanal der Mi-8 wird die Trimmung durch Treten des Pedals abgeschaltet, dazu sind im Pedal Mikroschalter installiert. Diese dienen ebenfalls der Abschaltung der Stabilisierung des Kurskanals durch den Autopiloten.

Im Höhenkanal der Mi-8 wird der Gassteigungshebel mit Hilfe der Hydraulik entarretiert, so dass dieser leicht bewegbar ist. Probleme entstehen dort bei Ausfall des Hydraulik-Hauptsystems.

Kraftverstärker

Kraftverstärker Bei den Hubschraubern werden im Zuge einer besseren Steuerbarkeit Kraftverstärker eingebaut, die die vom Steuerknüppel auf die Trag- und Heckschraube übertragenen Kräfte verstärken. Im Falle von größeren Hubschraubern (Mi-8) sind diese sogar unbedingt erforderlich, da die auftretenden Luftkräfte nicht mehr manuell beherrschbar sind. Für die Arbeit von Kraftverstärkern ist die Funktion des Hydrauliksystems erforderlich, da dieses den notwendigen Druck in der Hydraulikflüssigkeit bereitstellt.

Im Zusammenhang mit hydraulischen Kraftverstärkern sind auch Trimmersteuerungen integriert.

Funktionsweise:

Bei Betätigung des Steuerknüppels (im Bild nach rechts) wird durch die Bewegung des Kolbens nach rechts die Öffnung B freigegeben. Dadurch strömt Öl in den Arbeitskolben (schwarz). Dieser wird dadurch nach links bewegt. Über den Hebel wird der Steuerzylinder nach rechts bewegt, bis die Stellung des Zylinders zum Steuerkolben gewährleistet, dass die Öffnung B verschlossen ist. Der Steuerkopf hat sich als Resultat ebenfalls mit dem Steuerknüppel bewegt. Damit hat der Arbeitskolben eine kraftverstärkte Bewegung des Steuerknüppels ausgeführt. Bei Bewegung des Steuerknüppels in die andere Richtung geschieht es analog andersherum. Dass sich der Arbeitskolben entgegengesetzt zur Betätigungsrichtung des Steuerknüppels bewegt, liegt nur an meiner Zeichnung! Kraftverstärker Berücksichtigt sind dabei bereits die Elemente der Trimmung sowie des Autopiloten, der ja ebenfalls steuernd auf die Tragschraube einwirken muss.
Die besondere Konstruktion des Kraftverstärkers, der nicht einfach eine Art hydraulischen Fernwirkmechanismus darstellt, erhöhte auch die Flugsicherheit bei besonderen Fällen. Durch die mechanische Verbindung von Steuer- und Arbeitselementen kann auch bei Ausfall des Hydrauliksystems (so dass also kein Druck mehr aus einer Hydraulikpumpe zur Verfügung gestellt wird) eine Kraft vom Steuerknüppel oder GSH auf die Tragschraube übertragen werden. Dies traf zwar in der Praxis nur auf die Mi-2 zu, die eine max.Startmasse von 3550kg hat und damit dem HSF in einem solchen Fall beherrschbare Steuerkräfte abringt, insbesondere kann man auf der Mi-2 auch den motorisch betriebenen Trimmer zu Hilfe nehmen. Es gehörte in der fliegerischen Praxis auf der Mi-2 auch der Flug mit ausgefallenem Hydrauliksystem zum Programm. Auf der Mi-8 mit 10 oder 12t Startmasse sind die Kräfte nicht mehr beherrschbar, und man hatte keine Chance, ohne Hydrauliksystem zu steuern (dafür war aber ein vollwertiges 2. Hydrauliksystem vorhanden, das sich automatisch zuschaltete). 
In der Mi-8 werden im Längs-, Quer- und Höhenkanal Kraftverstärker KAU-30 eingesetzt. Diese können nur 20% des maximal möglichen Steuerweges bewegt werden. Im Seitenkanal wird der RA-60 mit 100% Steuerweg eingesetzt. Dies wird durch einen zusätzlichen Überführungsmechanismus gewährleistet. der die Bewegung der Pedale beeinflusst. Der Überführungsmechanismus kann durch mechanische Gegenwirkung des HSF (Treten gegen das Pedal) überdrückt werden.