Drehen eines Flugzeugs. Was verursacht eigentlich die kreisförmige Bewegung in einer Steilkurve (Rollkurve)?

Richtig, der Eisblock dreht sich nicht automatisch. Es wird ein Drehmoment benötigt. In der Luftfahrt ist dies im Grunde das, was man eine Wende koordinieren nennt. Wenn der Pilot bei einem Flugzeug nicht das erforderliche koordinierende Drehmoment über Seitenruder-/Höhenrudereingaben bereitstellt, wird das Drehmoment automatisch über den Wetterfahneneffekt erzeugt, der dazu neigt, den Rumpf mit der Geschwindigkeit auszurichten. Sie können also effektiv nur durch Schräglage drehen, wenn Sie nicht darauf bedacht sind, Ihre Höhe und Fluggeschwindigkeit konstant zu halten. Bei einem Hubschrauber ist es eine andere Geschichte, da der Hubschrauber zumindest bei niedrigen Geschwindigkeiten keinen großen Wetterfahneneffekt hat. Wenn Sie mit einem Hubschrauber bei niedriger Fluggeschwindigkeit nur in die Querlage gehen, ohne das Ruder zu koordinieren, gleiten Sie einfach seitwärts.

Als Flugschüler mit 100 Stunden und 300 Landungen, ganz zu schweigen von Interesse an Technik und Physik, liebe ich solche Fragen.

Meine erste Empfehlung ist, sich eine Kopie von Stick and Rudder zu besorgen . Es ist ein entzückendes Buch, das seit über einem halben Jahrhundert von Piloten verwendet wird, um die Grundlagen des Fliegens zu verstehen.

Meine zweite Empfehlung ist eine Schnupperflugstunde . Es kostet ungefähr 200 US-Dollar und ist der größte Spaß pro Dollar, den Sie ehrlich haben können.

Jetzt versuchen zu antworten. (Fast jede Frage wie diese lässt sich mit einem einfachen Balsaholzgleiter oder einem Papierflieger verstehen.)

Zunächst muss man verstehen, dass im Geradeausflug bei konstanter Geschwindigkeit bei einem normalen Flugzeug mit einem Hauptflügel und einem Leitwerk der Flügel nach oben und das Leitwerk nach unten drückt. Der Flügel trägt nicht nur das nach unten gerichtete Gewicht des Flugzeugs, sondern auch die nach unten gerichtete Kraft auf das Heck. Das Flugzeug ist kopflastig, und wenn das Heck plötzlich abgehackt würde, würde das Flugzeug sofort abstürzen. Da sich das Heck in einiger Entfernung hinter dem Flügel befindet, erzeugt sein Abwärtshub einen Moment, der die Nase hochhält. Die Auf- und Abbewegungen und damit der Moment sind proportional zur Geschwindigkeit im Quadrat. Wenn das Flugzeug aus irgendeinem Grund langsamer wird, nimmt der Moment ab, die Nase fällt und das Flugzeug beschleunigt. Wenn es schneller wird, nimmt der Moment zu, die Nase hebt sich und das Flugzeug wird langsamer.

Dies ist das erste, was Sie über Flugzeuge verstehen müssen – wie die Schwere der Nase und der Abwärtshub am Heck dazu führen, dass die Geschwindigkeit stabil bleibt. Die genaue Geschwindigkeit, die es sucht, hängt vom Winkel der Heckflächen ab. Je mehr sie nach oben geneigt sind, desto langsamer fliegt das Flugzeug, und nach unten bedeutet schneller. (Falls Sie sich fragen, wie der Flügel genug Auftrieb bekommt, wenn er langsamer fliegt, liegt es daran, dass sich das gesamte Flugzeug nach oben neigt und ihm einen größeren Anstellwinkel gibt.) Ich weiß, dass Sie nach dem Drehen fragen, aber das ist das erste, was Sie tun müssen verstehen.

Zweitens, wie lässt man es steigen oder sinken? Dafür ist der Gashebel da. Genau wie bei einem Auto brauchen Sie mehr Kraft, um einen Hügel hinauf zu fahren, und weniger, um hinunter zu fahren. Wenn Sie in einem Flugzeug die Leistung erhöhen, beschleunigt es, hebt die Nase, kehrt zu seiner natürlichen Geschwindigkeit zurück und steigt weiter. Wenn Sie die Leistung verringern, wird es langsamer, senkt die Nase und beruhigt sich dann auf seine natürliche Geschwindigkeit, jedoch an einem absteigenden Hang.

OK, Sie haben nach Wendungen gefragt. Sie drehen ein Flugzeug, indem Sie es in eine Bank stellen. (Mit den Querrudern, indem Sie das Joch kurzzeitig nach links drehen und es dann neu zentrieren.) Angenommen, Sie neigen es um 30 Grad nach links. Das kippt Ihren Auftriebsvektor, so dass die Hälfte davon Sie nach links beschleunigt und 0,866 davon gegen die Schwerkraft nach oben drückt. Um zu verhindern, dass die Schwerkraft gewinnt, üben Sie Gegendruck auf das Joch aus und erzeugen so mehr Auftrieb. Eine Kurve hat viel mit einem Anstieg gemeinsam, es sei denn, Sie möchten gleichzeitig absteigen. Sie müssen ihm auch etwas mehr Kraft geben, um die Geschwindigkeit durch die Kurve zu halten.

Hier ist eine 60-Grad-Bank: Hier müssen Sie 2 G an Auftrieb ziehen, um eine konstante Höhe zu halten, und ziemlich viel Kraft hinzufügen. Das ist ein ziemlich stressiges Manöver, und Sie können es nicht mit langsamer Geschwindigkeit machen, denn wenn Sie so stark ziehen, wird es stehen bleiben. Das zeigt Ihnen die Ähnlichkeit zwischen einer Kurve und einem Anstieg.

Sie haben gefragt, warum das Flugzeug nicht einfach seitwärts beschleunigt, anstatt sich zu drehen? Wenn ja, dann würde es ziemlich bald diesen Seitenwind spüren. Jedes Flugzeug ist eine Wetterfahne. Es verwandelt sich in den Wind, den es fühlt. Also, Kreisverkehr, das ist die Antwort auf Ihre Frage.

Um zu rollen, bewegen sich die Querruder (bewegliche Flächen an den Hinterkanten der Flügel, in der Nähe der Spitzen) in entgegengesetzte Richtungen, wodurch die effektive Wölbung einer Flügelspitze erhöht und die der anderen verringert wird. Dies erzeugt einen Spannweitenunterschied in der Auftriebsverteilung.

Wenn vom Piloten keine andere Eingabe befohlen wird, fällt die Nase; Angenommen, Sie haben im geraden und waagerechten unbeschleunigten Flug (SLUF) gestartet, wenn das Flugzeug rollt, fällt die Komponente des Auftriebsvektors, die dem Gewicht des Flugzeugs entgegenwirkt (auf Null, wenn es sich in einem 90$^{\circ}$Banken).

Um einen Horizontalflug beizubehalten, muss der Nickwinkel erhöht werden; dadurch ändert sich auch der Schubvektor. Um einen unbeschleunigten Flug aufrechtzuerhalten (insbesondere um keine Geschwindigkeit zu verlieren), muss der Schub erhöht werden (da der Luftwiderstand mit zunehmendem Nickwinkel zunimmt).

Die unterschiedliche Auftriebsverteilung an den Flügelspitzen erzeugt auch eine unterschiedliche Luftwiderstandsverteilung; bei den meisten konventionellen Flugzeugkonfigurationen tritt dies in Form eines ungünstigen Gierens auf (dh die Nase neigt dazu, sich von der Querneigung weg zu bewegen). Dem wird durch Aufbringen einer ausgeglichenen Ruderkraft entgegengewirkt.

Zusammenfassung: In einer unbeschleunigten ebenen Kurve hält die Seitenkraft auf das vertikale Heck aufgrund der Ruderauslenkung die Nase tangential zum Kreis, während die horizontale Komponente des Auftriebs aufgrund des Querneigungswinkels die Zentripetalkraft liefert.

Emilio hat Recht, dass das Motordrehmoment (Kreiselkupplung) ein Problem sein kann; bei niedrigen Drehzahlen ist sie typischerweise vernachlässigbar.

BEARBEITEN (noch nicht genug Wiederholungen, um die Antworten anderer zu kommentieren): Ja, der Auftriebsvektor bleibt "natürlich" per Definition normal zum Geschwindigkeitsvektor ; Es ist die Komponente der aerodynamischen Kraft, die normal zur Geschwindigkeit ist, während die Komponente parallel zur Geschwindigkeit als "Widerstand" bezeichnet wird.

Ich glaube, dass der Banked Turn so gemacht werden könnte:

1. Kippen Sie die Flächen eines Flügels nach oben und des anderen nach unten, um das Flugzeug in die Querlage zu bringen. Die Auftriebskraft ist jetzt leicht seitlich versetzt. Sie rutschen jetzt zur Seite, wie in dem von Ihnen geposteten Link erwähnt.
2. Bringen Sie das Flugzeug dazu, sich aus seiner eigenen Perspektive "nach oben" zu neigen. Die Kraft an diesem Punkt ist zur Seite und leicht nach hinten gerichtet. Ich weiß nicht, ob dies mit den Flügeln oder dem Schwanz gemacht werden würde.
3. Machen Sie Schritt 2 rückgängig. Sie befinden sich auf einem anderen Kurs, sind aber immer noch geneigt und gleiten immer noch.
4. Machen Sie Schritt 1 rückgängig. Sie befinden sich auf dieser neuen Überschrift und haben keine Bank mehr.

Für den Block-auf-Eis-Teil: Sie beschreiben: Jedes Triebwerk, das Kraft entlang einer Linie ausübt, die durch den Massenmittelpunkt verläuft, bewirkt keine Drehung des Objekts. Sie können, wie Sie vorgeschlagen haben, eine horizontale Beschleunigungskomponente hinzufügen, aber der Block dreht sich nicht und Sie können ihn nicht dazu bringen, sich mit nur diesem Triebwerk im Kreis zu bewegen.

Ich mag diese Frage und finde den Link sehr nützlich, aber ich werde trotzdem einige Probleme mit seiner Erklärung durchgehen.

Zuerst müssen wir die völlig plausible Situation eines ausgeglichenen Flugzeugs feststellen, das normal funktioniert, dann nach links oder rechts geneigt ist, und die Tatsache, dass es in die jeweilige Richtung und nach unten pendelt. Dazu ist lediglich ein Kräftediagramm der ersten Ebene erforderlich. Der Gravitationsvektor ist gleich groß, aber relativ zur Ebene gedreht, und die aerodynamischen Kräfte sind relativ zur Ebene unverändert. Es gibt mehrere Erwähnungen von Kraftmomenten im Link, aber ich ...

1. Finden Sie sie nicht nützlich oder notwendig für die Erklärung des Flugzeugdrehens und
2. Ich sehe keinen Grund, ein Momentenungleichgewicht in der vertikalen Ebene des Flugzeugs vorherzusagen

Bedenken Sie, dass normalerweise die Flügel eine Auftriebskraft nach oben (relativ zum Flugzeug) ausüben und das horizontale Leitwerk eine Auftriebskraft nach unten ausübt. Wenn wir davon ausgehen, dass wir die Luftgeschwindigkeit relativ zum Flugzeug nicht ändern, kann eine Änderung des Schwerkraftvektors (bei CM) kein Nettokraftmoment in irgendeiner Richtung erzeugen. Sowohl der Auftrieb als auch die Schwerkraft wirken am CM, und man muss sich bewegen, damit wir einen Moment erhalten (wie sie es bei Auftriebsproblemen tun).

In der vereinfachten Betrachtungsweise eines Punktkraftgleichgewichts ist eine Lenkung des Flugzeugs überhaupt nicht möglich. Der Link stellt einen Versuch dar, diesen Konflikt zu lösen.

Um keinen Höhenverlust zu vermeiden, muss der Pilot mit etwas Gegendruck am Steuerhorn kompensieren

Ich stimme dem nicht zu. Der Pilot muss Gegendruck auf das Steuerhorn ausüben, um sich in Schräglage zu bringen, aber die Vorstellung, dass er/sie dies tut, um den Höhenverlust auszugleichen, sollte einer genauen Prüfung nicht standhalten. Betrachten Sie die grundlegende Wahrnehmung von Bewegung – Geschwindigkeit ohne Beschleunigung oder Bezugssystem ist nicht wahrnehmbar. Der Pilot müsste buchstäblich auf den Höhenmesser schauen und am Steuerhorn ziehen, um dies zu kompensieren. Vorausgesetzt, er/sie würde dies tun, würde die Wende tatsächlich stattfinden, ja.

Es ist viel wahrnehmbarer, dass Sie anfangen , auf den Boden zu zeigen, anstatt sich auf den Boden zu bewegen . Wenn Sie an Höhe verlieren, werden Sie es vielleicht irgendwann bemerken, aber wenn Sie sehen, wie sich der Horizont bewegt, entsteht eine sehr instinktive Korrektur durch den Piloten.

Hier komme ich in die übergeordnete Auflösung.

Wenn beispielsweise ein Flugzeug in Querlage ist und sich seitwärts durch die Luft bewegt (wie bei der oben besprochenen parallelen Bewegung), trifft der relative Wind das Flugzeug von der Seite, zu der es geneigt ist.

Wenn sich das Flugzeug nach rechts/links und nach unten bewegt (als Ergebnis der Beschleunigung aus dem Punktkraftdiagramm), präsentiert das Heck eine große Fläche direkt dem Wind. Dies sagt ein Kraftmoment ausschließlich in der horizontalen Ebene des Flugzeugs voraus , das das Flugzeug nach unten und rechts/links richten wird. Der Pilot zieht dann das Steuerhorn zurück (möglicherweise unmerklich), um die Bewegung des Horizonts auszugleichen. Aus einer Analyse des Steuersystems geht hervor, dass die Hauptverantwortung des Piloten wahrscheinlich darin besteht, die Orientierung nach oben/unten beizubehalten. Da jede andere Steuereingabe dies ändert, reagiert die Aufwärts-/Abwärts-Orientierungssteuerung automatisch sehr wachsam.

Dies ist meine bevorzugte Erklärung, und ich möchte betonen, dass ich sehr wenig direkte Erfahrung mit dem Fliegen von Flugzeugen habe und mein Schreiben streng an akademischer Physik orientiert ist. Mit meiner aktuellen Hypothese müssen wir eine wichtige Vorhersage beachten:

• Das Links-/Rechtsdrehen ist ein Effekt 2. Ordnung der Flugzeugneigung

Die Alternative dazu wäre, dass die Ausrichtung des Flugzeugs nach links / rechts direkt einen Moment vermittelt (wobei Sie sich daran erinnern sollten, dass ich damit nicht einverstanden bin). Es ist interessant, dies auf die Erfahrung anzuwenden. Wie schnell beginnt die Kurve, wenn das Flugzeug in Querlage ausgerichtet ist? Führt Wenden zwangsläufig zu einem Höhenverlust? Meine Erklärung sagt "langsam" und "ja" voraus.

Ein weiterer Punkt wurde zum Moment der Motoren/Propeller angesprochen. Sofern Sie keine gegenläufigen Doppelmotoren (oder mehr, gerade Anzahl) hatten, fügt dies eine asymmetrische Komponente hinzu. Es wird einfacher, je nach Drehrichtung nach links oder rechts zu drehen. Ich weiß, dass Luftkämpfer aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs sich dieser Tatsache in vielen Situationen bewusst waren. Ich denke, es ist offensichtlich, dass man diese Tatsache zu seinem Vorteil / Nachteil nutzen könnte.

Wenn ein Flugzeug in Querlage ist, wird die Auf-und-Zurück-Kraft (Auftrieb) des Flügels teilweise seitwärts. In der Ebene geht die mittlere Kraft der 2 Flügel durch den Schwerpunkt. Wenn es sich neigt, befindet sich die Kraft vor dem Schwerpunkt und induziert ein Kraftmoment, das das Flugzeug dreht. Je größer die Bank, desto mehr Kraft bewegt sich nach vorne und desto mehr Drehmoment. Es ist ein 3D-Problem, das schwer vorstellbar ist. Um die Sache noch komplizierter zu machen, muss sich der äußere Flügel schneller bewegen und erfährt mehr Widerstand, was die Drehung verhindern kann und das Flugzeug dreht und in die andere Richtung taucht! Ich denke, es gibt eine andere Klappe, um dies bei Bedarf zu korrigieren.

Wenn das Flugzeug ein Trägheitsmoment ungleich Null um die Gier- und Nickachsen hat, dann sind ein Gierdrehmoment und ein Nickdrehmoment erforderlich, um die Kurve einzuleiten.

Selbst wenn eine Wende im stationären Zustand hergestellt ist, müssen die Heckflächen typischerweise anders positioniert werden und müssen andere Kräfte erzeugen als beim Flug auf Flügelhöhe bei demselben Anstellwinkel. Es existiert ein als "aerodynamische Dämpfung" bezeichneter Effekt, der bewirkt, dass die Rotationsgeschwindigkeiten um alle Achsen dazu tendieren, gegen Null zu tendieren. Dieser Effekt hängt wiederum mit der Tatsache zusammen, dass sich verschiedene Moleküle des Flugzeugs zu jedem Zeitpunkt in unterschiedliche Richtungen durch die Luftmasse bewegen, da die Gier- und Nickdrehraten nicht Null sind. Als Ergebnis kann in einer stabilisierten Kurve (dh konstante Fluggeschwindigkeit und konstante Rotationsgeschwindigkeiten um alle Achsen) der freiströmende Luftstrom als "gekrümmt" angesehen werden, um dem Weg der Kurve zu folgen. Dies erzeugt Drehmomente, die dazu neigen würden, die Gier- und Nickdrehraten zu verlangsamen, wenn die Heckflächen in der gleichen Position belassen würden, in der sie sich während des Fluges in Flügelhöhe mit dem gleichen Anstellwinkel befanden. Dieser Effekt ist am ausgeprägtesten bei langsam fliegenden Flugzeugen wie Segelflugzeugen und Ultraleichtflugzeugen, bei denen der Wenderadius nicht zu groß im Vergleich zur Vorwärtsfluggeschwindigkeit ist, oder genauer gesagt im Vergleich zu den pro Zeiteinheit zurückgelegten Rumpflängen.

Wären diese Effekte nicht vorhanden, müssten Sie nur in den gewünschten Querneigungswinkel rollen, um eine perfekt "koordinierte" stationäre Kurve mit demselben Anstellwinkel zu erreichen, mit dem Sie mit geraden Flügeln geflogen sind (und fügen Sie etwas Leistung hinzu, wenn Sie die Höhe halten möchten). In Wirklichkeit ist es nicht ganz so einfach. Die oben beschriebenen Effekte bewirken, dass das Flugzeug in der Kurve tendenziell einen geringeren Anstellwinkel einnimmt als im Flug auf Flügelhöhe, und auch dazu, dass das Flugzeug in einer "sideslipping"-Lage fliegt, dh mit leicht zeigender Nase zur Außenseite der Kurve in Bezug auf die Richtung der Flugbahn zu jedem gegebenen Zeitpunkt. Zu lernen, diese Effekte zu überwinden, ist ein großer Teil dessen, worum es beim Lernen geht, eine Wende richtig zu "koordinieren".

Okay, ich denke, eine einfache Erklärung ist hier intuitiver, ohne auf die Polemik der aerodynamischen Mechanik einzugehen. Ein Tragflügel ist das Design, das Auftrieb erzeugt, indem es Bernoulli-Prinzipien zum Verhalten von Flüssigkeiten verwendet. Wenn Sie genau wissen, wie ein Tragflügel funktioniert, können Sie verstehen, warum das Flugzeug in einer Böschung wenden kann.

Im Geradeausflug ist der Auftrieb gleich dem Luftwiderstand. Wenn der Anstellwinkel erhöht oder die Geschwindigkeit erhöht wird, wird der Auftrieb größer als der Luftwiderstand und die Höhe nimmt zu und umgekehrt. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Auftriebskraft in Relation zum "relativen Luftstrom" steht, der der Luftstrom ist, der als Folge der Geschwindigkeit des Flugzeugs gestört wird. Im Geradeausflug wirkt der Auftrieb senkrecht zur „Sehnenlinie“ des Tragflügels im „Druckmittelpunkt“. Es kann also nur in einer einzigen Dimension (oben oder unten) wirken.

In einer Bank haben Sie nun eine weitere Komponente des Auftriebsvektors induziert. die Horizontale. Diese Querneigung erhöht den Ladefaktor des Flugzeugs und stört das Gleichgewicht von Auftrieb und Luftwiderstand. daher wird eine Erhöhung des Schubs benötigt, um die erhöhte g-Kraft zu kompensieren. Wenn die Erhöhung des Schubs Auftrieb und Luftwiderstand einander gleich macht, ist es dem Flugzeug möglich, die gleiche Richtung zu neigen und zu fliegen, als wäre es im Geradeausflug (wie es Hochgeschwindigkeitsflugzeuge mit gepfeilten Flügeln können). Wie auch immer Sie den Kurs ändern möchten, Sie müssen den Auftrieb in einer Querneigung erhöhen (denken Sie an die Richtung des relativen Luftstroms auf dem Flügel und die resultierende Wirkung der horizontalen Komponente des Auftriebs). Dieser resultierende Pitch-Up-Moment bewirkt, dass ein Flugzeug dreht. statt rutschen.

Denken Sie daran, dass ein Flugzeug immer rutscht, weil wir in Wirklichkeit nie bei Gegenwind fliegen. Wir rutschen immer seitwärts und in kleineren Flugzeugen wie dem Trainer Cessnas, den ich fliege, müssen wir die Seitenrudereingaben halten, um sicherzustellen, dass wir nicht vom Kurs abgeblasen werden, da die Spur (Bewegungsrichtung in Bezug auf den Boden) selten dieselbe ist wie die Überschrift (Nasenrichtung).

Es gibt viele andere Effekte, die dazu führen, dass das Flugzeug die Fluglage ändert oder nachteilig giert, abhängig von Flugzeugflügel, Rumpf und Triebwerkskonstruktion und -eigenschaften, aber das ist eine völlig separate Diskussion, die nicht Teil der Frage ist.

Ich hoffe, das hilft.