Ist ein getrimmter Flug nicht immer ein instabiles System?

Aber nehmen Sie an, es kommt eine Windböe und der Anstellwinkel wird größer. Dadurch verschiebt sich der Druckmittelpunkt vor meinen Schwerpunkt. Das Flugzeug wird also instabil, weil der Anstellwinkel weiter zunimmt (Nase nach oben). Das einzige, was der Pilot tun konnte, war, das Höhenruder zu benutzen, um die Neigung zu trimmen.

Dies ist nicht korrekt. Kennen Sie "Freiflug"-Modellflugzeuge? Einige von ihnen sind stabil genug, um mitten am Nachmittag geflogen zu werden, wenn die Atmosphäre voller thermischer Auf- und Abwinde ist, ohne jegliche Eingabe von einem Piloten und ohne automatisches Steuersystem (Autopilot usw.).

Sie haben Recht, dass sich das Auftriebszentrum und das Druckzentrum des Flügels nach vorne bewegen, wenn eine Störung den Anstellwinkel des Flügels mit einem herkömmlichen Tragflügel ohne "Reflex" erhöht, was destabilisierend ist .

Aber das Heck erfährt auch eine Zunahme des Anstellwinkels, oder wenn das Heck so eingestellt ist, dass es im normalen Flug mit einem negativen Anstellwinkel fliegt, dann wird der Anstellwinkel des Hecks entweder weniger negativ oder etwas positiv wegen der Störung. Unabhängig davon, was im Einzelfall der Fall ist, bewirkt die Anstellwinkeländerung des schwerpunktfernen und damit hebelstarken Hecks den Auftriebs- und Druckmittelpunkt des Ganzen Flugzeug hinter dem CG bewegen. Das Flugzeug neigt sich also zu einem niedrigeren Anstellwinkel, wo das Auftriebszentrum und das Druckzentrum wieder zusammen mit dem Schwerpunkt liegen. So funktioniert Tonhöhenstabilität.

Weitere Informationen finden Sie in diesem Abschnitt von John Denkers Website „See How It Flys“ .

Hinweis: Der Einfachheit halber gehe ich davon aus, dass die einzigen Kräfte, die wir berücksichtigen müssen, die "nach oben" oder "nach unten" sind. Das heißt, dass das „Auftriebszentrum“ und das „Druckzentrum“ ein und dasselbe sind. Das ist nicht ganz richtig. Wenn zum Beispiel die Schublinie weit über dem Schwerpunkt wäre, wäre es immer noch wahr, dass das Druckzentrum ( einschließlich der Wirkung des Schubvektors) mit dem Schwerpunkt zusammenliegt, wenn sich das Flugzeug im Gleichgewicht befindet, aber das Zentrum Der Auftrieb müsste dem CG etwas voraus sein. Wenn Sie diese Vereinfachung als zu beanstanden empfinden, dann streichen Sie einfach (gedanklich) "Mitte des Auftriebs" aus meiner Antwort und lassen Sie einfach "Mitte des Drucks".

In meiner Antwort hier gehe ich davon aus, dass eine Art Störung, wie z. B. ein plötzlicher Aufwind, den Anstellwinkel des Flugzeugs erhöht hat. Tatsächlich ist jedoch eine zusätzliche Frage in Ihre Frage eingebettet: "Wird ein rein horizontaler Windstoß eine Änderung des Anstellwinkels eines horizontal fliegenden Flugzeugs verursachen?" Das ist eine ganz andere „Dose voller Würmer“, auf die wir uns jetzt vielleicht nicht wirklich einlassen müssen, aber lassen Sie uns zumindest „den Deckel anheben“ und einen Blick darauf werfen. Die Antwort darauf scheint zu sein, dass die Abfolge der Ereignisse wie folgt ist: Windstoß von vorne -> erhöhter Auftrieb -> Krümmung der Flugbahn nach oben (die vorübergehend abnehmen kannden Anstellwinkel leicht) -> Änderung der Nicklage nach oben, um sich an die neue Richtung der Flugbahn anzupassen -> fortgesetzte Krümmung der Flugbahn nach oben und fortgesetzte Nickdrehung mit der Nase nach oben. Alles unter der Annahme, dass das Flugzeug an irgendeinem Punkt in der Ereigniskette noch nicht mit der neuen Geschwindigkeit der umgebenden Luftmasse ins Gleichgewicht gekommen ist. Es ist nicht offensichtlich, dass der Anstellwinkel jemals über den ursprünglichen Anstellwinkel hinaus erhöht wird.

Ich glaube, Sie missverstehen, wie es funktioniert und wie Sie auf Windänderungen reagieren würden. Erhöhungen der Fluggeschwindigkeit wirken sich auf alle Flugflächen aus, einschließlich des Höhenruders, sodass eine Änderung der Fluggeschwindigkeit aufgrund einer Böe keine großen Änderungen der Neigung hervorruft. Es wird eine gewisse Änderung geben, jedoch würden sich die Tonhöhenänderungen typischerweise mit den Fluktuationen ausgleichen. Es ist selten, wirklich plötzliche signifikante Änderungen der Fluggeschwindigkeit zu bekommen.

Vielleicht fragen Sie sich, warum es sich lohnt, ein Flugzeug zu trimmen, wenn Sie immer noch Steuereingaben machen müssen. Das Trimmen reduziert die Arbeitsbelastung des Piloten und die Kraft, die für Steuereingaben benötigt wird. Wenn Sie nicht trimmen, werden Sie immer gegen eine Neigung nach oben oder unten kämpfen, was Energie und Konzentration erfordert. Ihre Prioritäten sind das Fliegen, Navigieren und Kommunizieren. Das Trimmen reduziert den Aufwand, den Sie in das Fliegen des Flugzeugs stecken, sodass Sie sich auf die anderen beiden konzentrieren können. Bei einem langen Flug oder einem kürzeren Flug bei schwierigen Bedingungen ist es wichtig, Ihre eigene Energie zu sparen, daher lohnt es sich, sich das Trimmen zur Gewohnheit zu machen.

Bei ruhigen Bedingungen kann ein getrimmtes Flugzeug mit sehr wenig Input des Piloten fliegen, sodass Sie sich Karten oder Platten ansehen, etwas trinken oder einfach nur entspannen können, während Sie einen guten Überblick behalten.

Windige oder turbulente Bedingungen sind anspruchsvoller, und Sie können nicht so viel „Hände weg“ fliegen. Das Trimmen ist immer noch wichtig, da es das Flugzeug einfacher und weniger arbeitsintensiv zu kontrollieren macht.

Denken Sie nicht zu viel darüber nach. Vereinfache in Gedanken. Trim wird verwendet, um den Hands-off-Anstellwinkel voreinzustellen. Statische Stabilitätskräfte konzentrieren sich darauf, den getrimmten Anstellwinkel wiederzuerlangen, wenn das Flugzeug aus seinem Trimmzustand verschoben wird.

Da Piloten die Fluggeschwindigkeit als Stellvertreter für den Anstellwinkel verwenden, legt die Trimmung die Fluggeschwindigkeit für den Piloten fest. Der beste Weg, sich die Trimmung beim Fliegen vorzustellen, besteht darin, sie sich als freihändigen Geschwindigkeitsregler vorzustellen.

Wenn ein Flugzeug von der Trimmung gestört wird, wird es von der getrimmten AOA und letztendlich der Geschwindigkeit gestört, und seine statische Stabilität erzeugt erholsame Momente, die das Flugzeug auf der Suche nach dem ursprünglichen Trimmzustand neigen. Wenn das Flugzeug also unter der Trimmgeschwindigkeit/über dem Trimm-AOA liegt, neigt es sich nach unten, und wenn es über der Trimmgeschwindigkeit/unter dem Trimm-AOA liegt, neigt es sich nach oben.

Denken Sie also daran, dass das Flugzeug, wenn es von einer Böe gestört wird und Sie keine Änderungen an Leistung oder Konfiguration vornehmen, natürlich versuchen wird, die AOA / Geschwindigkeit wiederherzustellen, die es vor der Störung hatte. Sie können es loslassen und die Hände frei haben, es wird diesen Trimmzustand selbst suchen, sich aber seine süße Zeit nehmen und in immer kleineren Auslenkungen um die Trimm-AOA oszillieren, bis es wieder bei Trimm-AOA/Geschwindigkeit ist.

Im Allgemeinen möchten Sie nicht so lange warten, daher ist es effizienter, den natürlichen Stabilitätskräften mit Höhenrudereingaben nachzuhelfen, um die Schwingungen kurzzuschließen. Um dies effektiv zu tun, benötigen Sie einen praktischen Proxy für AOA, der im Moment als Ziel verwendet werden kann, auf das Sie mit Ihren Aufzugseingaben schießen können. Dazu verwenden wir die Nicklage relativ zum Horizont.

Sie fliegen also gut getrimmt mit, das Flugzeug fliegt freihändig und kümmert sich um seine eigenen Angelegenheiten, die Neigungseinstellung und etwas ändert AOA und Geschwindigkeit. Die Pitch-Einstellung wird sich auch geändert haben. Ihr Ziel ist es, das Flugzeug wieder auf seine getrimmte AOA/Geschwindigkeit zu bringen. Anstatt es auf und ab jagen zu lassen und schließlich wieder in seinen getrimmten Zustand zu gelangen, machen Sie subtile Höhenrudereingaben, um die ursprüngliche Neigungslage wiederzuerlangen, wodurch Sie so schnell wie möglich wieder zur Trimmung des AOA gelangen. Sobald Sie die ursprüngliche Fluggeschwindigkeit wiedererlangt haben, sollte das Flugzeug wieder in der ursprünglichen Neigungslage sein und diese beibehalten, und Sie sind wieder dort, wo Sie gestartet sind.

Sie sollten es sich zur Gewohnheit machen, die Trimmung zu verwenden, um eine freihändige Geschwindigkeit für das Flugzeug einzustellen, damit es für jede stabilisierte Geschwindigkeit fliegt, mit der Sie fliegen möchten (für mehr als beispielsweise 30 Sekunden). Wenn Sie beim Anflug mit 70 kts fliegen möchten, lassen Sie es nicht auf 90 kts getrimmt und halten Sie den Höhenruderdruck; Trimmen Sie den Druck weg, bis er freihändig mit 70 Knoten fliegt. Gleiches gilt für jeden anderen Geschwindigkeitszustand, der mehr als ein kurzzeitiger Übergangszustand ist; Schießen Sie auf die Zielgeschwindigkeit, indem Sie auf eine Zielneigung neigen, und wenn Sie auf Geschwindigkeit sind, trimmen Sie die Steuerknüppelkräfte, sodass die Geschwindigkeit freihändig gehalten wird. So fliegt man mit minimaler Arbeitsbelastung, indem man die Eigenstabilität des Flugzeugs die meiste Arbeit erledigt.

Der Hauptzweck der Heckfläche besteht darin, zu verhindern, dass die Nickinstabilität des Flügels das gesamte Flugzeug beeinflusst. Aus diesem Grund wird es oft als horizontales Stabilisator bezeichnet.

Im einfachsten Fall übt der Stabilisator im Trimmzustand keine Auftriebskraft aus. Wenn sich die Nase hebt, erhöht sich die AoA des Hecks und es beginnt, Auftrieb zu erzeugen. Das Design ist so angeordnet, dass das Nickmoment dieses Auftriebs größer ist als das Nickmoment, das durch die CP-Verschiebung des Flügels verursacht wird. Das Heck hebt sich und bringt das Flugzeug in die Trimmlage zurück.

Es gibt viele Komplikationen, die eingeführt werden können, aber das ist die grundlegende Physik, wie Stabilität funktioniert.

Ich denke, die meisten Antworten haben die phugoide Oszillation übersehen, was hier ein Schlüsselwort ist.

Die meisten Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt sind so konstruiert, dass sie im Flug mehr oder weniger stabil sind, wenn sie einmal auf die tatsächliche Situation getrimmt sind. Das heißt, wenn der Flug irgendwie gestört wird, kehrt das Flugzeug meistens in eine neue stabile Situation zurück. Dies gilt für alle drei Eingaben: Rollen, Gieren und Nicken. Im Flugzeug können Sie dies versuchen, indem Sie eine kurze dosierte Eingabe an der Steuerung vornehmen, loslassen und die Antwort abwarten.

Diese Stabilität geht im Allgemeinen mit einer geringeren Leistung einher. Bei Hochleistungsflugzeugen kann die "natürliche" Stabilität also absichtlich geringer sein: Man beobachte als Beispiel den Extremfall von Düsenjägern, wo moderne Flugzeuge oft nicht fliegen können, ohne dass der Computer der Instabilität ständig entgegenwirkt.

Aber zurück zu "natürlich" stabilen Ebenen, die meistens ein bestimmtes Muster namens "phugoide Schwingung" in Längs- oder Nickrichtung aufweisen. Dies ist einer von mehreren Schwingungsmodi, die ein Flugzeug haben kann, aber einer, der am einfachsten in einem GA-Flugzeug zu beobachten ist. Wenn das Flugzeug eine Geschwindigkeits- oder Neigungsstörung erfährt, passiert Folgendes (ich gehe von einem traditionellen Heckdesign aus + Startneigung nach unten):

1. Das Flugzeug neigt sich unterhalb der "stationären Horizontalen".

• die Geschwindigkeit wird jetzt erhöht
• Wenn die Geschwindigkeit zunimmt, nimmt die Abwärtskraft des Hecks zu und beginnt, das Flugzeug nach oben zu neigen (das Heck ist ein Flügel, der im stetigen Flug nach unten drückt, wenn das Flugzeug nach unten geneigt wird, ändert sich der Angriffswinkel des Windes und die Geschwindigkeit von Luft darüber wird zunehmen und mehr "Abwärtshub" geben).

2. Das Flugzeug wird sich jetzt aufstellen, oft etwas über "horizontal".

• Die Geschwindigkeit wird jetzt verringert
• Wenn die Geschwindigkeit abnimmt, nimmt die Abwärtskraft des Hecks ab und beginnt, das Flugzeug nach unten zu neigen

3. Beginnen Sie wieder bei 1.

Dies führt zu einer Schwingung. Bei GA-Flugzeugen kann ein typischer Zeitraum etwa 30 Sekunden betragen. (Es können tatsächlich mehrere Perioden gleichzeitig sein). Und das geht jetzt weiter mit drei möglichen Ergebnissen:

1. Die phugoide Oszillation nimmt ab und stoppt allmählich
2. Die Oszillation kann abnehmen und mit einer konstanten Amplitude fortgesetzt werden. Oft ist dies der angestrebte Zustand bei der Konstruktion von Flugzeugen, da eine totale Stabilität zu viel Leistung kosten könnte.
3. Die Oszillation ist zu extrem, um angenehm zu sein, oder nimmt mit der Zeit zu und führt zu extremen Tonhöhenänderungen, und Sie als Pilot müssen Maßnahmen ergreifen.

Im Laufe der Zeit muss die Trimmung geändert werden, wenn Kraftstoff verbraucht wird und sich das Gleichgewicht ändert oder der Motor die Leistung aufgrund der Lufttemperatur usw. ändert. Aber für eine Pause, meiner Erfahrung nach manchmal 30 Minuten, fliegt das Flugzeug einfach von selbst.

Ich glaube, Sie haben ein großes Missverständnis in Bezug auf Stabilität. Trimmung und Stabilität hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe. Ein stabiles Flugzeug wird bei Störungen immer sein Gleichgewicht oder seinen getrimmten Zustand suchen. In einem gut konstruierten Flugzeug wird das Gleichgewicht vom Flugzeug automatisch erreicht, ohne jegliche Eingabe des Piloten. Das ist die Ordentlichkeit.

Sie haben bei Ihrer Frage nicht bedacht, woher die Stabilität kommt. Es ist wichtig zu beachten, dass in den meisten Flugzeugen der Druckmittelpunkt (CP) niemals vor dem Schwerpunkt (CG) liegen sollte. Dies liegt daran, dass die meisten Flugzeuge einen horizontalen Stabilisator haben, der eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt. Wenn der CP dem CG vorausgeht und ein Heck einen Nettoabtrieb erzeugt, bleibt das Flugzeug instabil. Ein solches Flugzeug kann jedoch stabilisiert werden, indem ein Stabilisator vorhanden ist, der ein Netto-Aufstellmoment erzeugt. Bei einem solchen System kann der größere Hebelarm des Stabilisators eine Aufwärtskraft erzeugen, die stark genug ist, um das Flugzeug zu stabilisieren.

Wie stabilisiert sich also ein Flugzeug mit einem CP hinter dem Schwerpunkt nach einer Nickstörung? Es ist wirklich einfach. Der CP, wie Sie gesagt haben, wird sich vorwärts bewegen (aber nicht vor CG). Da der horizontale Stabilisator für negativen Auftrieb ausgelegt ist, verringert diese Erhöhung des Flügelanstellwinkels den negativen Anstellwinkel am Stabilisator. Dadurch verringert sich die Abwärtskraft auf den Stabilisator, und bedenken Sie, dass der CP hinter dem CG liegt. Dadurch werden alle Aufwärtsmomente reduziert und das Flugzeug wird versuchen, in seinen getrimmten Zustand zurückzukehren.

Ich möchte, dass Sie es beim nächsten Flug ausprobieren. Für diese einfache Übung trimmen Sie das Flugzeug auf eine bestimmte Geschwindigkeit und einen bestimmten Anstellwinkel. Dann ziehen Sie die Nase hoch und verlassen die Steuerung und sehen, wie sich das Flugzeug verhält. Ein stabiles Flugzeug drückt die Nase sofort nach unten, um seinen getrimmten Zustand zu erreichen. Die Zeit, die benötigt wird, um in den getrimmten Zustand zurückzukehren, kann natürlich variieren. Dies zeigt, wie dynamisch stabil das Flugzeug ist. Sie wird stark von der Dämpfung im System beeinflusst. Zum Beispiel hat das Flugzeug in größeren Höhen aufgrund der reduzierten aerodynamischen Dämpfung eine geringere dynamische Stabilität. Somit benötigt das Flugzeug mehr Zeit oder Schwingungen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. In einem stabilen Flugzeug sollten die Schwingungen rechtzeitig in einem sogenannten Absinken abklingen.

Das folgende Video demonstriert die Längsstabilität.