RC-Helikopter-Tips – Heckrotor-Stabilisierungssysteme

Das Drehmoment des Heckrotors wird bei allen Bausatzmodellen durch einen Heckrotor kompensiert, welcher mit dem Hebelarm des Heckauslegers in der Gegenrichtung zieht. Bei ruhigem Wetter, wenn der Schwebeflug richtig getrimmt ohne sichtbare Steuerausschläge möglich ist, kann man die Heckrotorsteuerung bei gut eingestelltem Motor fast vergessen. Noch einfacher wird der Schwebeflug an Ort, wenn ein stetiger Wind bläst, welcher den Helikopter durch die Windfahnenwirkung der Rumpseitenflächen oder der Seitenflosse stabilisiert.

Sobald aber Schwebeflugfiguren geflogen werden sollen, ändert sich die Situation. Nun werden zyklische Steuerausschläge nötig, um die Rotorebene zu neigen. Das benötigt Energie und die kann kurzzeitig aus der Rotationsenergie des Hauptrotors entnommen werden. Sie muss aber wieder ersetzt werden, und das geschieht durch Erhöhen der Motorleistung. Damit entsteht aber ein grösseres Drehmoment, und das ruft nach einem grösseren Heckrotor-Ausschlag, damit keine Drehung um die Hochachse entsteht. Der grössere Heckrotorausschlag wiederum bedeutet mehr Luftwiderstand, und darum muss die Motorleistung erneut nachgeführt werden.

In der Praxis verläuft allerdings der beschriebene Regelvorgang nicht in einzelnen Schritten, sondern er wickelt sich stetig ab. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass der Pilot erst über Auge und Ohr eine Abweichung vom Gleichgewichtszustand seines Helikopters feststellen muss, um dann darauf zu reagieren. Durch diese kleinen Verzögerungen wird der Heckrotor dauernd etwas in Unruhe sein oder wenigstens beim Einleiten einer anderen Bewegung der Rotorebene ein wenig ausschlagen.

Mit einer festen Beimischung von Heckrotorausschlag zum Pitch- und/oder Gas-Servo-Ausschlag kann mechanisch oder elektronisch eine Annäherung an den erforderlichen Korrekturausschlag erzielt werden. Aber eben nur eine Näherung erster Ordnung.

Aus diesem Grunde entwickelten japanische Fernsteuerungs-Hersteller vor etwa vier Jahren eine im Sender eingebaute und ATS (Anti Torque System) genannte elektronische Einheit, welche nicht nur die Grösse des zusätzlichen Heckrotorausschlags proportional zur Verstellung des Gas-Servos machte. Zusätzlich konnte auch der Einfluss der Änderungsgeschwindigkeit der Gasverstellung und die Dauer der Korrekturgrösse an zwei Drehknöpfen eingestellt werden. Der Regelungstechniker spricht in einem solchen Fall von einer PID-Regelung.

Sender mit solchen Schikanen sind in erster Linie für Experten bestimmt, die auch in der Lage sind, die drei Einflussgrössen genau auf ihren Helikopter abgestimmt einzustellen. Dazu ist grosse Erfahrung im Steuern nötig. Äussere Einflüsse wie Windböen oder Veränderungen im Motorlauf, z.B. infolge anderer Höhenlage des Fluggeländes, sind durch diesen elektronischen Zusatz nicht auszuschalten.

Neuerdings bietet auch GMP (Hersteller des Kleinhelikopters CRICKET) einen für jeden normalen Sender/Empfänger verwendbaren Elektronikteil in der Form eines zusätzlichen Servogehäuses an, an welchem die drei Einflussgrössen Mischanteil und Einfluss der Änderungsgeschwindigkeit der Gasverstellung in Grösse und Dauer eingestellt werden können. Diese Lösung ist universell anwendbar und erfordert keinen teuren Experten-Sender, weil das servokleine Modul im Helikopter untergebracht ist. Nach Angaben des Herstellers kostet die Einrichtung nur soviel wie ein Servo und verbraucht keinen zusätzlichen Strom.

Ebenfalls nur auf Drehmomentänderungen infolge Drehzahländerungen (und nicht auf Richtungsänderungen des Helikopters) reagieren elektronische Drehzahlregelungen. Ein induktiver oder optischer Geber an der Hauptrotorwelle nimmt berührungslos Impulse ab und verstellt das Gas-Servo derart, dass die Drehzahl konstant auf einem vorgewählten Wert bleibt. Damit können Heckausschläge infolge wechselnder Rotor- oder Motordrehzahl abgefangen werden. Flugfiguren, welche andere Motorleistung benötigen, erfordern aber nach wie vor ein Eingreifen mit dem Heckrotor, wenn keine Drehung des Helikopters um die Hochachse erfolgen soll. Die Leistung ist ja proportional dem Produkt aus Drehmoment mal Drehzahl, und bei konstant gehaltener Drehzahl ändert sich darum das Drehmoment – und somit der nötige Heckrotorausschlag – mit jeder Leistungsänderung. Drehzahlregelungen sind also lediglich eine Beruhigungshilfe für den Heckausleger. Als – bezogen auf den ganzen Helikopter – reine Steuerungselemente können sie definitionsgemäss keine Lagerregelungsfunktionen übernehmen.

Solche Drehzahlregelungssysteme beschrieb Rainer Rebhan im «Flug+modell-technik» 282-7/1979 (Elektronischer Drehzahlregler für Hubschraubermodelle) und Dr. A. Kroneisen im «Modell» 12/79 (Drehzahlregler für Modellhubschrauber). Sie werden auch vom japanischen Hersteller SANWA unter dem Namen GOVERNOR vertrieben, erreichten aber wegen der beschriebenen beschränkten Hilfe, welche sie dem Piloten gewähren, keine weitere Verbreitung.

Für den Durchschnittspiloten sind solche elektronischen Hilfen kaum brauchbar. Selbst wenn ihm ein erfahrener Helfer die ganze Angelegenheit einmal einstellt, so nützt das nur etwas bis zum nächsten Absturz oder bis zum Ersatz der Rotorblätter. Nach dem Zusammenbau des Rotorkopfes beginnt das Einstellspiel von vorne, und das lässt sich aus Zeitgründen meist nicht beliebig oft wiederholen.

Aus dieser Überlegung heraus und unter Berücksichtigung der letzten Entwicklungen auf dem Gebiet der Elektronik entstand bei der Firma FUTABA ein Stabilisierungskreis. Die Idee, einen mechanischen Kreis zur Stabilisierung einer Drehbewegung zu verwenden, ist nicht neu. Im Grossflugzeugbetrieb sind Sperry-Autopiloten seit Jahrzehnten bekannt. Meines Wissens war KAVAN der erste Hersteller von Kreisen zum Einsatz in Helikoptermodellen. Zu seiner Zeit musste die Lage des Kreisels aber noch über ein Potentiometer abgegriffen werden. Die verhältnismässig grosse, aus der Reibung des Schleifers entstehende Hysterese machte das System gerade in den ersten feinen Kursabweichungen unwirksam. Es konnte sich also aus konstruktiven Gründen nicht durchsetzen.

Die Lösung von FUTABA benützt eine berührungslose Abtastung der Lage des Kreisels mit Hall-Sensoren (was immer das auch sein möge). Wichtig für uns ist nur, dass der Kreisel schon bei geringsten Änderungen seiner Lage einen Gegensteuer-Befehl an das Heckrotor-Servo abgibt. So wird jeder Lageänderung entgegengewirkt, sobald auch nur eine Tendenz zu einer Abweichung entsteht.

Ein solches modernes Kreiselssystem darf aber nicht nur die Stabilisierung des Heckrotors übernehmen. Es muss übersteuerbar sein, damit gewollte Drehungen um die Hochachse ausgeführt werden können. Beim FUTABA Kreiselssystem, welches die Firma ROBBE unter dem Namen «Autopilot» zu ca. Fr. 240.- vertreibt, besteht das komplett verdrahtete Set aus dem Kreisel, einem Elektronikteil und dem Ein-Aus-Schalter mit zwei Einstellpotentiometern 0...100% für den Einfluss. Durch einen Schaltkanal am Sender kann im Flug vom Einstellbereich 1 auf Einstellbereich 2 umgeschaltet werden. Man benötigt das, wenn man im gleichen Flugprogramm sowohl Schwebeflugfiguren als auch Flugfiguren wie Turn oder Landeanflug ausführen will. Bei Schwebeflugfiguren wird die Handsteuerung des Heckrotors fast nicht benötigt. Also kann der Einfluss des Steuerautomaten hoch sein, z. B. 70-90%. Im freien Flug sollte man selber mehr Einfluss auf die Steuerung haben, und man schaltet deshalb auf den anderen Einflussbereich der Automatik um, welcher bei z. B. nur 30-50% liegt.

Das von ROBBE vertriebene System ist aus der Empfängerbatterie zu speisen. Da der Stromkonsum des mechanischen Kreisels aber recht gross ist, empfiehlt sich die Verwendung eines separaten Akkus von 500 mAh. Anschlussstecker dazu sind vorhanden.

Zum Einbau selbst ist nicht viel zu sagen – die Anleitung von ROBBE enthält übersichtlich alle Angaben.

In England ist ein RCME-Gyro-Bausatz lieferbar, mit welchem ein relativ einfaches Kreiselssystem selbst zusammengebaut werden kann. Für 13 £ erhält man die mechanischen Teile mit ausbalanciertem Schwungrad und für weitere 12 £ die elektronischen Komponenten mit Leiterplatte, Gehäuse und Steckern. Die ganze Einheit fertig zusammengebaut kostet bei World Electronics £ 29.84. Das sind (anfangs 1982) rund 110 Fr. Hersteller der Bausätze ist die Firma Century Systems, 111 Gretton Road, Winchcombe, Cheltenham GL54 5EL, England.

Das RCME-System besteht aus einem mechanischen Teil und einem Elektronikteil, welcher zwei Einstellungen ermöglicht: Servo-Mittelstellung und Einfluss. Die Wirkungsweise ist aber nicht dieselbe wie beim FUTABA-System. Dort handelte es sich um ein Stabilisierungssystem, hier wird nur die ungewollte Drehung um die Hochachse mehr oder weniger gedämpft, während die Steuerausschläge voll durchkommen. Eine Beschreibung mit Schema findet sich im «Radio Control & Electronics», Januar 1982.

Schliesslich sei noch der amerikanische Watson-Stabilizer erwähnt. Diese Einheit enthält keine bewegten Teile, konsumiert weniger als ¼ Watt und wiegt weniger als 100 g. Eine eigene Stromquelle wird nicht benötigt. Die Lebensdauer soll 10 000 Stunden betragen, und das Gerät ist für 170 $ (rund 320 Fr.) erhältlich bei Watson Industries, Inc., 3041-A Melby Road, Eau Claire, Wisconsin 54701, USA.

Die Wirkungsweise dieses Systems ist in den Inseraten nicht verständlich beschrieben. Es handle sich um ein «solid state gyro», und der Erfinder schreibt im «RCM» Juli 81 S. 94: «The new piezoelectric vibrating beam technology used in our stabilizer will revolutionize the control of model aircraft.» Mehr kann ich nicht sagen. Vielleicht weiss ein Leser mehr über diese neue Technologie und meldet mir das. Ich werde dann versuchen, die Information allen zugänglich zu machen.

In Japan sind ausser dem beschriebenen FUTABA-System ähnliche Kreiselstabilisierungen auf dem Markt. Das SANWA GYROSCOPE SM-340 arbeitet mit Infrarot-Abtastung der Kreiselage. Das System von KO-DIGIACE «SUPER GYRO SG-803» ist mir nur aus Inseraten bekannt. Das gleiche gilt vom «GYROSENSOR NEJ 100» von JR-

Propo. Diese Marke wird in Westeuropa von Graupner vertrieben, und es ist anzunehmen, dass auch dieser Kreisel beim Erscheinen dieses Artikels bei uns bereits erhältlich sein wird. DIGIFLIGHT bietet ebenfalls ein Kreiselssystem DIGI GYRO an, und dasselbe tut die Firma LOGITEC.

Bei diesem grossen Angebot von in Aufbau und Funktion fast gleichen Systemen dürfte es nur noch eine Frage der Zeit sein, bis diese Marken über die Vertriebskanäle bekannter europäischer Modellbauhändler auf unserem Markt erscheinen. Die heutigen Preisvorstellungen dürften dann etwa halbiert werden, so dass der Stabilisierungskreisel mit seinen auf den Flugbetrieb angenehmen Auswirkungen bald einmal zum Standardzubehör eines gut ausgerüsteten Durchschnittshelikopters gehören wird. Schon heute benützen über 80% der Piloten an Wettbewerben diese Einrichtungen. Die so ruhig geflogenen Schwebeflugfiguren müssen also nicht immer unseren Neid wecken. Ausser dem Können steckt da eine gute Portion Elektronik (und Geld) drin.

Ernst Bernet, Weidstrasse 4a 6300 Zug, Tel. 042 / 21 26 87