Trimmung

Die Simulation von Hubschraubern stellt im Allgemeinen ein dreifaches Problem dar, da sie nicht nur aus der Berechnung der Strömung selbst besteht, sondern die elastische Reaktion der Rotorblätter und das gleichzeitige Einhalten des gewünschten Trimm-Zustands umfasst.
Unter dem Trimm-Zustand eines Rotors versteht man eine Auswahl charakteristischer Rotor-Parameter, wie z.B. dem erzeugten Gesamtschub und den via Rotormast in den Rumpf eingeleiteten Roll- und Nickmomenten. Weitere gängige Parameter sind auch die Amplituden der Blattbewegungen. Der Zweck einer Trimmung ist, diese Parameter auf vorgegebene Werte zu bringen. Grundsätzlich gilt dabei die Regel, dass maximal so viele Parameter getrimmt werden können wie Steuerungs-Möglichkeiten am Rotor vorhanden sind. Stehen beispielsweise die drei Steuereingänge einer Taumelscheibe (d.h. der kollektive und die zwei zyklisch veränderten Blattwinkel) zur Verfügung, können diese dazu verwendet werden die drei Parameter Schub, Roll- und Nickmoment des Rotors auf die gewünschten Werte zu bringen. Im Fall eines sogenannten aktiven Rotors, bei dem z.B. kleine Klappen an den Rotorblättern gesteuert werden können, könnten weitere Parameter in der Trimmung berücksichtigt werden.

Anwendungsgebiete
Durch das Einhalten vorgegebener Werte für die trimmbaren Parameter wird sichergestellt, dass der simulierte Rotor in einem definierten Betriebszustand arbeitet. Dies ist wichtig bei einem Vergleich mit einem Experiment, da die strömungsmechanischen Phänomene und auch die rotordynamischen Vorgänge nur dann ähnlich ablaufen. Es wäre zwar denkbar, direkt die Taumelscheibenstellung aus dem Experiment zu übernehmen und keine Trimmung durchzuführen; aufgrund evt. unterschiedlicher Deformation der Blätter bei reduzierter Modellierung der Elastik, sowie bei störendem Einfluss der Windkanalwände sind jedoch die vom Rotor erzeugten Kräfte und Momente die geeigneteren Größen, um die Ähnlichkeit von Simulation und Experiment zu garantieren.
Ein weiteres Anwendungsgebiet für die Trimmung sind Simulationen zur Auslegung von Rotoren, bei denen die Rotorleistung in der Entwurfs-Phase vorhergesagt werden soll. Um die Leistungen verschiedener Entwürfe vergleichen zu können, werden sie anhand eines identischen Trimm-Zustands bewertet. Dadurch lässt sich erkennen, ob in einem realistischen Betriebszustand die Modifikationen am Rotor, einschießlich ihrer vielfältigen, oft schwer durchschaubaren Koppeleffekte, tatsächlich zu einer Leistungsteigerung führen.

Freiflug-Trimmung
In den Bereich des Vorentwurfs und der Leistungsbestimmung fällt auch die sogenannte Freiflug-Trimmung. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Rotorsteuerung, sondern auch die Fluglage des kompletten Hubschraubers als veränderliche Größen verwendet werden. Dies wird dann erforderlich, wenn anstatt eines eingespannten Modells eines Windkanaltests ein Hubschrauber im freien Flug simuliert werden soll. Im Freiflug-Fall gilt das Kräfte-Gleichgewicht für den kompletten Hubschrauber: Die aerodynamischen Kräfte am Rotor und am Rumpf gleichen das Gewicht des Hubschraubers aus, die Momente heben sich auf. Dieses Gleichgewicht kann im Windkanal aufgrund der Einspannung des Modells im Regelfall nicht erfüllt werden. Da der Leistungsbedarf des Hubschraubers und die aerodynamische Belastung verschiedener Bauteile von der Fluglage abhängen, ermöglicht das Trimmen der Lagewinkel genauere Vorhersagen über diese Werte.

Umsetzung
Methodisch umgesetzt wird die Trimmung durch ein iteratives Vorgehen. Hierbei wird durch ein Hubschrauber-Aeromechanik-Programm ein Vorschlag für die Werte der Steuereingänge geliefert, welcher in einer nachfolgenden CFD-Simulation getestet wird. Entsprechend der Abweichungen vom gewünschten Trimmzustand wird daraufhin ein neuer Vorschlag errechnet und wiederum eine CFD-Simulation durchgeführt. Diese Schritte werden wiederholt, bis alle Trimm-Parameter auf die gewünschten Werte konvergiert sind.