Gibt es Fly-by-Wire-Flugzeuge mit negativer oder nahezu neutraler Nickstabilität?

Sind moderne Verkehrsflugzeuge mit Fly-by-Wire-Flugsteuerungssystemen mit negativer oder nahezu neutraler Nickstabilität ausgelegt, so dass sie die Fähigkeit solcher Systeme nutzen können, den Trimmwiderstand zu verringern und die Treibstoffeffizienz zu erhöhen?

Wenn ja, welche Flugzeuge sind dafür ausgelegt?

Und wenn nicht, warum nicht?

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In den Bildern muss das Flugzeug mit positiver statischer Stabilität einen ausreichenden Flügelauftrieb (der grüne Pfeil) erzeugen, nicht nur um das Flugzeug hochzuhalten, sondern auch um einen zusätzlichen Betrag zu kompensieren, um den Auftrieb von der Heckfläche zu kompensieren, der das Flugzeug in Richtung zieht Schmutz. Die aerodynamische Gesamtkraft ist die Summe aus dem Flügelauftrieb plus dem Auftrieb des Leitwerks, der dem Gewicht des Flugzeugs plus dem doppelten Auftrieb des Leitwerks entsprechen muss. DAS BEDEUTET, DASS BEI EINEM FLUGZEUG MIT POSITIVER STATISCHER STABILITÄT DEUTLICH MEHR TRIMMWIDERSTAND UND SCHUB ERFORDERLICH IST.

In einem Flugzeug mit negativer statischer Stabilität (unteres Bild) tragen die Flügel (grüner Pfeil) und das Leitwerk (blau) beide zum positiven (Aufwärts-) Auftrieb bei, und daher ist die aerodynamische Gesamtkraft geringer, daher der induzierte Luftwiderstand ist geringer, und der erforderliche Schub (und der Kraftstofffluss, um diesen Schub zu erzeugen) ist im Vergleich zu einem Flugzeug mit positiver statischer Stabilität reduziert.
Wenn Sie weitere Details wünschen, sehen Sie sich dieses Video an, aus dem ich zitiere (bei etwa 1:00 Minute), über Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt mit positiver statischer Stabilität: "... Etwas nicht sehr Schönes an dieser Situation [positive statische Stabilität] ist, dass wir diese nach unten haben wirkende Auftriebskraft [am Heck], die wir Trim Drag nennen, die sich im Wesentlichen negativ auf unsere Reichweite und Ausdauer auswirkt und die wir vermeiden möchten ...“, und dann später, um über das Negative zu sprechen stabile F-16, bei 1:50 Minuten: „In dieser Situation haben wir [am Heck] eine nach oben gerichtete Auftriebskraft. Das bedeutet … wir haben, wie es sein sollte, den gesamten Auftrieb nach OBEN. Das heißt [meine Kursivschrift], wir haben eine Steigerung unserer Reichweite und Ausdauerleistung ..“

Und außerdem zitiere ich aus diesem Link "instabile Designs erhalten eine leichte Verringerung des Luftwiderstands und eine leichte Erhöhung des Auftriebs". Der Rest dieses Artikels ist auch sehr informativ.

Um den Unterschied weiter zu veranschaulichen, sind unten zwei Fotos von Flugzeugen im Endanflug zum Land, wo die Flugbahn stabil und absteigend ist.
1. Ein F-4 mit positiver statischer Stabilität und 2. ein F-16 mit negativer statischer Stabilität. Beachten Sie die relativen Positionen der Stabilisatoren an den beiden Flugzeugen und insbesondere den relativen Anstellwinkel der Stabilisatoren im Vergleich zum AOA der Flügel. In diesen beiden Bildern sinkt das Flugzeug zur Landung ab, also kommt der relative Wind von links und unten.

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Du scheinst einem weit verbreiteten Irrglauben zum Opfer gefallen zu sein. Eine positive statische Nickstabilität erfordert nicht, dass das Höhenleitwerk einen negativen Auftrieb erzeugt – nur dass es weniger Auftrieb pro Fläche erzeugt (fliegt mit einem niedrigeren Anstellwinkel) als die Hauptflügel.
Dies ist wahr, aber kein gängiges Design. Positive statische Stabilität liegt per Definition vor, wenn eine Zunahme des AOA zu einem Moment nach unten und eine Abnahme des AOA zu einem Moment nach oben führt. Dazu muss die gesamte aerodynamische Kraft auf das Flugzeug, wenn sie vektoriell summiert (berechnet) und durch eine einzelne Kraft dargestellt wird, die durch einen einzelnen Punkt wirkt, so bestimmt werden, dass sie durch einen Punkt hinter dem CoG wirkt,
Wenn das Heck einen positiven Auftrieb erzeugt, dann erzeugt es ein Moment nach unten, und damit das Flugzeug im Gleichgewicht ist, muss der Hauptflügel ein Moment nach oben erzeugen, dh sein Druckmittelpunkt muss vor CoG liegen. Eine Erhöhung der AOA würde die AOA auf beiden Oberflächen erhöhen, damit das Flugzeug im Gleichgewicht ist, muss die Erhöhung des Pitch-Up-Moments vom Hauptflügel kleiner sein als die Erhöhung des Pitch-Down-Moments vom Heck.
Dieser Effekt ist eine Kombination vieler Faktoren, einschließlich nicht nur der Flügel- und Leitwerksfläche, sondern auch der statischen Ränder von Flügel und Leitwerk (die entscheidend davon abhängen, wo sich der CoG befindet) und der Form ihrer jeweiligen Auftriebskurven.

Antworten (1)

Nein.

Moderne FBW-Flugzeuge verwenden weniger statische Stabilität als die frühen Jets, aber die Stabilität ist immer noch positiv. Die negative Wölbung am Wurzelprofil von gepfeilten horizontalen Leitwerken könnte auf überwiegend negative Hecklasten hinweisen, wird aber auch verwendet, um die Isobaren auf der gepfeilten Oberfläche parallel zu halten . Außerdem verzögert die aufgebogene Eintrittskante das Abreißen bei vollen Flügelklappen, wenn das Heck viel Abtrieb erzeugen muss:

A380-Heck

A380-Heck ( Bildquelle )

Boeing 787-Heck

Boeing 787 Heck ( Bildquelle )

Bei null statischer Stabilität fällt die Längslage des Schwerpunkts mit dem Neutralpunkt zusammen, so dass der Auftrieb pro Fläche auf allen horizontalen Flächen ungefähr gleich ist (Wölbungseffekte vernachlässige ich vorerst, die in Reiseflugkonfiguration klein sind).

Die horizontalen Leitwerke selbst der neuesten Konstruktionen haben immer noch einen negativen Sturz und keine Verdrehung, was darauf hinweist, dass ihr Konstruktionsauftriebskoeffizient ungefähr null oder sogar leicht negativ ist. Dies hat hauptsächlich mit den Hecklasten in der Landekonfiguration zu tun, zeigt aber auch, dass sie bei Überschallgeschwindigkeit mit einem niedrigeren Auftriebskoeffizienten fliegen als der Flügel. Eine solche Tragflächenkrümmung würde den Betrieb bei Überschallgeschwindigkeit und den Auftriebskoeffizienten des Flügels ziemlich ineffizient machen.

Ein neutrales Stabilitätsdesign würde das FBW-System noch flugkritischer machen, als es ohnehin schon ist, und würde den „Direct-Law“-Modus des Airbus-FBW-Systems ziemlich gefährlich machen. Die Zertifizierung wäre viel schwieriger – immerhin gelten noch FAR $25.173 :

(a) Ein Zug muss erforderlich sein, um Geschwindigkeiten unter der angegebenen Trimmgeschwindigkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten, und ein Schub muss erforderlich sein, um Geschwindigkeiten über der angegebenen Trimmgeschwindigkeit zu erreichen und aufrechtzuerhalten.

Der „Beibehalten“-Teil dieser Regel kann am besten mit positiver statischer Stabilität erreicht werden.

Auch die Verringerung der statischen Stabilität über einen Punkt hinaus, an dem die Stabilität noch leicht positiv ist, verbessert die Effizienz nicht mehr. Beachten Sie, dass das Streckungsverhältnis der Leitwerksfläche kleiner ist als das des Flügels. Wenn beide Oberflächen mit dem gleichen Auftriebskoeffizienten fliegen würden, wäre der induzierte Widerstand des Hecks relativ höher (in Bezug auf den Auftrieb) als der des Flügels, selbst ohne Downwash-Effekte. Dies bedeutet, dass der Auftrieb am Heck einen höheren Preis hat und es effizienter ist, den Flügel mit einem höheren Auftriebskoeffizienten als das Heck zu fliegen.

BEARBEITEN:

Überschallflugzeuge profitieren von negativer statischer Stabilität, da dies im Überschallflug weniger Trimmwiderstand verursacht . Für Verkehrsflugzeuge gibt es keinen solchen Vorteil, da sie nicht für einen dauerhaften Überschallbetrieb ausgelegt sind.

Auch positive statische Stabilität ist mit Auftrieb am Heck möglich. Insofern wiederholt die Frage ein altes Mem. Nicht das Vorzeichen des Auftriebs an der Leitwerksfläche bestimmt die Grenze zwischen positiver und negativer Stabilität, sondern der relative Auftrieb pro Fläche . Es muss aus Stabilitätsgründen weniger am Heck als am Flügel sein. Wie sonst könnte ein stabiles Canard-Flugzeug Auftrieb an seinem Hauptflügel erzeugen?

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@ Sean: Hat es wirklich "statistische Stabilität" gesagt? Manchmal hasse ich die Autokorrektur und danke, dass du das entdeckt hast!
@PeterKämpf: Ja , hat es. Sehr gerne! :-)
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