Gibt es eine Beziehung zwischen der Ruderauslenkung und einem bestimmten Kurvenradius oder Querneigungswinkel?

Ich mache ein Projekt, das die Automatisierung von Querruder-, Seitenruder- und Höhenruderauslenkung umfasst.

Gibt es eine quantifizierbare Beziehung, die mir sagen kann, wie viel Ablenkung für jeden Kurvenradius erforderlich ist, wenn die anderen Parameter konstant gesetzt werden?

Es besteht kein direkter oder quantifizierbarer Zusammenhang zwischen dem Querruderausschlag und einem gegebenen Wenderadius.
Beachten Sie, dass es möglich ist, eine Schräglage beizubehalten, wenn sich die Querruder in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Dies passiert ziemlich oft bei Segelflugzeugen, bei denen der Pilot eine Thermik eng umkreisen möchte, aber nicht möchte, dass das Flugzeug weiter rollt, sodass eine entgegengesetzte Querrudereingabe erfolgt, um die Kurve beizubehalten.

Antworten (4)

Sie brauchen die Querruder nur, um das Flugzeug in Querlage zu bringen; ist die Querneigung erreicht, ist der Querruderausschlag meist nahe Null. Ich nehme an, wir sprechen von stationären Kurven, sodass sich Geschwindigkeit und Flugzeugmasse über die Dauer der Kurve nicht wesentlich ändern.

Beim Drehen müssen mehrere Momente ausgeglichen werden, um den Rollwinkel konstant zu halten, und ein gutes Design tut dies, ohne Querrudereingabe zu erfordern:

  • Die Drehung um die Hochachse bewirkt mehr Fluggeschwindigkeit über dem Außenflügel und erhöht dessen Auftrieb. Dies verursacht ein Rollmoment in die Kurve hinein.
  • Die Drehung um die Hochachse verursacht einen Seitenschlupfzustand am Seitenleitwerk, der ein Giermoment gegen die Kurve verursacht.
  • Die Trägheitskräfte versuchen, die Flügel in die Ebene zu ziehen. Dies bewirkt ein Rollmoment gegen die Kurve.

Das Höhenruder muss jedoch in einem etwas negativeren Winkel als im Horizontalflug gehalten werden, um den erforderlichen Lastfaktor zu ziehen N z . Der Lastfaktor wiederum ist proportional zum Querneigungswinkel Φ :

N z = 1 C Ö S Φ
Radius R :
R = v 2 G ⋅ T A N Φ
Winkelgeschwindigkeit Ω (rad/s):
Ω = v R = G ⋅ T A N Φ v
Der erforderliche Höhenruderausschlag hängt von der Stabilitätsmarge ab (ausgedrückt als C M a C L a ) des Flugzeugs, seine Nickdämpfung (ausgedrückt als C M Q ) und Aufzugseffektivität (ausgedrückt als C M η H ).

once the bank angle is reached, aileron deflection is mostly close to zeroDies hängt von der Stabilität des Flugzeugs um die Längsachse ab. Wenn das OP nach präzisen Messungen sucht, muss es möglicherweise Querrudereingaben berücksichtigen, um eine Bank aufrechtzuerhalten.
Die Lastfaktorformel gilt nur für den Horizontalflug. Eine 60°-Böschung kann unter den richtigen Bedingungen einen Lastfaktor von 1 haben.
@JonathanWalters … das wäre ein 60°-Sturzflug. Ja, möglich, aber dann wird die Beschleunigung in Flugrichtung weit von Null entfernt sein, sodass sich die Geschwindigkeit ziemlich schnell ändern wird. Dies ist überhaupt keine stationäre Wendung.
Nein, es muss kein Tauchgang sein. Wie Sie betonen, wird sich die Fluggeschwindigkeit sicherlich ändern, aber all dies könnte in einer Steigkurve erreicht werden.
@JonathanWalters: ja, richtig, eine Kletterkurve mit 60° Querneigung. Wie realistisch! Wenn Sie diese Kraft haben, warum nicht direkt nach oben klettern? Wenn Sie dies nicht tun, wird die Runde nicht lange dauern. Der Schlüssel ist hier "stationär"!
Ja, ich sehe, Sie haben Ihrer Antwort "Briefpapierumdrehung" hinzugefügt. Gut. Ein Hochziehen auf Vy vom Ende des Reiseflugs mit einer Querneigung auf 60° ist in einem 2000-Pfund-Flugzeug mit 150 PS sehr gut möglich. Es braucht nicht viel Motorleistung, es ist nur eine Frage des Energiemanagements.
@JonathanWalters: Wie viel Steigwinkel schaffst du in diesem Klimmzug mit dem 150-PS-Flugzeug? Die Neigungsrate ist nicht schnell genug, um es Ihnen zu ermöglichen, auch nur annähernd 60° zu erreichen, bevor Ihnen die Energie ausgeht. 10° oder 15° sind vielleicht realistisch - und raten Sie, wie viele g Sie brauchen, um sich auf 60° zu neigen? Vielleicht fühlt es sich für dich an wie 60° Steigung, aber das ist es sicher nicht.
Ich glaube, Sie missverstehen das Manöver, das ich beschreibe. Ich spreche nicht von einem stetigen Steigen und Wenden. Ich spreche von einem tatsächlichen Manöver, das einen Moment mit einer positiven Steigrate, einer Querneigung von 60° und einem Lastfaktor von 1 umfasst. Der Motor muss nicht laufen. Glauben Sie mir, ich fliege die Dinger tatsächlich. Ich kenne den Unterschied zwischen 15° und 60° Querneigung.

Die Auslenkung des Querruders wirkt sich auf Ihre Rollrate aus , aber Sie können schnell oder langsam auf einen beliebigen gewählten Querneigungswinkel rollen ... und der Querneigungswinkel (zusammen mit der tatsächlichen Fluggeschwindigkeit) bestimmt Ihre Wendegeschwindigkeit und Ihren Radius. (Unter der Annahme einer koordinierten Wendung.)

Abhängig von verschiedenen Parametern kann ein kleiner Seiten- und Höhenruderausschlag erforderlich sein, um einen koordinierten Horizontalflug aufrechtzuerhalten, sobald er in der Kurve hergestellt ist, und je nach Flugzeug benötigen Sie möglicherweise etwas Seitenrudereingabe, während die Querruder ausgelenkt sind. Das ist alles ziemlich spezifisch für das Flugzeug, das Sie modellieren. In einem Jet mit gepfeilten Flügeln ist keine signifikante Ruderauslenkung erforderlich (und die geringe Auslenkung wird häufig eher vom Gierdämpfer als vom Piloten bereitgestellt), während in einem langflügeligen Segelflugzeug mit beträchtlichem nachteiligem Gieren ein gutes Stück hinzugefügt wird Seitenruder zusammen mit Querruder ist für einen koordinierten Flug erforderlich.

Diese Antwort bringt einige der bei der Lösung der Frage aufgetretenen Schwierigkeiten ans Licht, enthält jedoch mehrere Aussagen, die in ihrem derzeitigen Isolationszustand ungenau sind. 1) Die Auslenkung des Querruders gibt Ihnen keine Rollrate an sich; Fluggeschwindigkeit und andere Faktoren sind ebenfalls Determinanten. 2) Querneigungswinkel und wahre Fluggeschwindigkeit allein bestimmen nicht Wendegeschwindigkeit oder -radius; Koordination/Rudereingabe ist ebenfalls ein entscheidender Faktor. 3) In einem Pfeilflügel-Strahlruder wird im Allgemeinen immer noch eine Rudereingabe benötigt, um ein koordiniertes Rollen und Wenden auszuführen.
@JonathanWalters: Ob Sie es glauben oder nicht, aber wenn Sie eine koordinierte Kurve fliegen, geben Ihnen der Querneigungswinkel und die wahre Fluggeschwindigkeit genügend Informationen, um die Wenderate genau zu berechnen .
@PeterKämpf Lies meinen Kommentar noch einmal; Ich weise genau darauf hin: Koordination ist unerlässlich für die Genauigkeit dieser Berechnung. Wie Sie wahrscheinlich wissen, kann ein Querneigungswinkel von 20° bei einem Schlupfflug unabhängig von der wahren Fluggeschwindigkeit zu einer Wendegeschwindigkeit von genau null führen.

Die wohl relevante Antwort als Pilot: Nein

Was Sie erreichen wollen, ist höchstwahrscheinlich komplexer, das Fliegen einer bestimmten Kurve hängt von so vielen Dingen ab und ist ein dynamischer Prozess.

Wahre Antwort als Physiker: Ja, natürlich

Immer wenn Sie eine bestimmte Situation mit genau denselben Parametern haben (wie Sie beschrieben haben, werden alle anderen Parameter konstant gesetzt, einschließlich Wind, Leistung, Fluggeschwindigkeit, Dichte usw.), erhalten Sie am Ende denselben Kurvenradius. Es ist deterministisch ...

Problem: Ihre Prämisse, die anderen Parameter konstant zu halten, ist unrealistisch

Kombination der beiden: Sie fliegen nie eine Kurve, wie die zweite Antwort suggeriert, wo Sie "einen gewissen Ausschlag" des Querruders haben, aber ändern Sie es während der Kurve, um es zu starten und zu stoppen, sowie während der Kurve, weil Sie nie alle haben die anderen Parameter konstant. Sie verwenden das Ruder unter anderem, um andere, sich ändernde Parameter zu kompensieren. Die Frage ist also, sind Sie daran interessiert, eine ganze Umdrehung zu machen (sehen Sie sich die erste Antwort an) oder interessieren Sie sich nur für den künstlichen stationären Zustand (zweite Antwort)?

Eigentlich denke ich, dass Ihr Problem bereits von vielen Autopiloten gelöst wurde ... Ich würde empfehlen, einen Blick auf die aktuelle Implementierung dieser zu werfen.

Ja, es gibt eine Beziehung zwischen der Auslenkung der Steuerfläche und dem Querneigungswinkel, aber es ist eine komplizierte, mit einer Rückkopplungsschleife, aerodynamischen Kräften und Trägheit, doppelten Integratoren, Umwandlung von Flugzeug- zu Erdachsen usw.

Da es sich um eine dynamische Beziehung handelt, wird sie am besten durch die Reaktion auf eine Schritteingabe charakterisiert. Beginnen Sie mit dem Steuerrad auf 0, stellen Sie eine plötzliche Auslenkung bei beispielsweise 30 Grad für 5 Sekunden ein und bringen Sie das Rad dann schnell auf Null zurück. Messen Sie in der Zwischenzeit die Reaktion des Querneigungswinkels des Flugzeugs. Auf diese Weise wird das flugdynamische Modell in Flugsimulatoren abgestimmt.

Es gibt weitere Informationen zu diesem Link (Abbildung 5), obwohl diese Erklärung die Rollrate berücksichtigt. Um zum Querneigungswinkel zu gelangen, benötigen Sie einen weiteren Integrator und eine Achsentransformation.

Ein Autopilot vergleicht den tatsächlichen Querneigungswinkel mit einem Sollwert und variiert die Steuerradeingabe, bis der erforderliche Querneigungswinkel erreicht ist. Quellcodebeispiele finden Sie möglicherweise in Open-Source-Simulatorprogrammen wie FlightGear.

Gibt es eine Beziehung zwischen der Ruderauslenkung und einem bestimmten Kurvenradius oder Querneigungswinkel?
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