Warum haben Sie mit weniger Luftstrom weniger Kontrolleffektivität?

Denn Trägheitsmomente ändern sich nicht mit der Geschwindigkeit

Kontrolleffektivität bedeutet, dass die Kontrollen eine Änderung im Momentengleichgewicht bewirken, was zu der gewünschten Einstellungsänderung führt. Je kleiner der Steuerausschlag bei gleicher Lageänderung ist, desto höher ist ihre Wirksamkeit. Wenn$\ddot{\Theta}$ist die Nickbeschleunigung,$∆F_H$die Kraftänderung am Höhenleitwerk durch einen Steuerausschlag,$x$der Hebelarm dieser Steuerung um den Schwerpunkt und$I_y$das Trägheitsmoment um die Querachse, die Formel für$\ddot{\Theta}$ist:

Beide$x$und$I_y$sind fest, also nur$∆F_H$hat das Potenzial, die Nickbeschleunigung zu erhöhen.$∆F_H$ist proportional zu

• Ablenkwinkel$\eta_H$
• Schwanzgröße$S_H$(wieder behoben)
• dynamischer Druck$q = \frac{v^2\cdot \rho}{2}$

Ein bestimmtes Objekt ändert seine Haltung schneller, wenn mehr Kraft erzeugt werden kann. Also mehr Tempo$v$bedeutet mehr Kraftänderung und eine höhere Winkelbeschleunigung bei gleicher Auslenkung.

Die Steuerflächen (Querruder, Höhenruder, Seitenruder) verursachen bei Auslenkung ein aerodynamisches Moment um das aerodynamische Zentrum. Ein Moment hat einen Momentarm und muss eine Längenreferenz haben - die aerodynamischen Momente werden in Bezug auf die Flügelabmessungen definiert: Flügelspannweite für Roll- und Giermomente und mittlere aerodynamische Sehne für Nickmomente. Betrachten wir das Nickmoment P:

Mit:

• $C_{r_{\delta e}}$= Höhenbeiwert (dimensionslos)
• $\delta_e$= Höhenruderausschlag
• $q$= dynamischer Druck =$\frac {1}{2} \cdot \rho \cdot V^2$
• $A$= Flügelfläche
• MAC = mittlere aerodynamische Sehne

$C_{r_{\delta e}}$, A und MAC sind Konstanten. Also: Das Nickmoment des Flugzeugs ist proportional zur Höhenruderauslenkung und zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit. Fliegen Sie doppelt so schnell, und das Nickmoment ab einer bestimmten Höhenruderauslenkung wird viermal so hoch sein.

Was Ihr Flugzeug im Grunde über dem Boden schweben lässt, obwohl die Schwerkraft es an die Oberfläche zieht, ist die Tatsache, dass Ihr Flugzeug ständig Luftmoleküle nach unten drückt (und zieht). Eines der Newtonschen Gesetze besagt, dass dies eine gleiche und entgegengesetzte (dh nach oben gerichtete) Kraft auf Ihr Flugzeug erzeugt.

Im geraden und waagerechten Flug ist diese Kraft auf den positiven Anstellwinkel zurückzuführen, den die Flügel mit dem relativen Wind (NICHT DEM FLUGPFAD) bilden, der im Wesentlichen Luftmoleküle nach unten zwingt: Moleküle unter dem Flügel werden dabei entlang der Unterseite des Flügels nach unten abgelenkt Moleküle über dem Flügel werden entlang der Oberseite des Flügels nach unten gezogen, wenn er sich durch sie bewegt. Wenn Sie langsamer fahren, lenken Sie pro Zeiteinheit weniger Luftmoleküle nach unten ab, was einen höheren Anstellwinkel erfordert, um Sie in der Schwebe zu halten. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass der Pilot mehr Höhenruderauslenkung benötigt, oder mit anderen Worten: Ihre Steuerung ist weniger effektiv.

Die Steuerautorität ergibt sich aus der Größe der Momente, die Sie erzeugen können, die aus auf das Flugzeug wirkenden Kräften (Höhenruder, Querruder oder Seitenruder) resultieren, die aus Druckunterschieden resultieren, die in einem quadratischen Verhältnis zur Geschwindigkeit stehen. Wenn sich die Luftstromgeschwindigkeit halbiert, wird Ihre Steuerautorität auf 4 reduziert. Wenn sich die Luftstromgeschwindigkeit verdoppelt, erhalten Sie die 4-fache Steuerautorität usw.

Hier ist eine weitere Erklärung, falls etwas nicht ganz klar ist.

Für die Steuerungsberechtigung müssen Sie in der Lage sein, Ihren gewünschten Moment auf das Flugzeug anzuwenden. Momente sind Kräfte, die in einiger Entfernung von Ihrem Rotationszentrum wirken. Angenommen, Sie möchten in einem Flugzeug das Flugzeug rollen lassen. Die ausschlagenden Querruder erzeugen einen Druckunterschied zwischen rechtem und linkem Flügel. Dies führt dazu, dass verschiedene Kräfte im Wesentlichen auf die Querruder einwirken und diesen Rollmoment erzeugen. Das sind nur die Grundlagen des Rollens. Nun zum Airflow-Teil.

Zuerst habe ich erwähnt, dass es beim Rollen die Druckunterschiede sind, die durch den Luftstrom über den Flügel und das Querruder verursacht werden. Die Kräfte (die uns hier beschäftigen) werden durch den Druck auf eine Oberfläche erzeugt. Denken Sie daran, dass Druck Kräfte über Bereiche sind. Schauen wir uns nun den Druck an. Die Gleichung für den dynamischen Druck lautet$\frac{\rho V^2}{2}$, das ist Dichte mal Geschwindigkeit zum Quadrat über 2. Wir gehen davon aus, dass sich unsere Dichte hier nicht ändert, also ändern wir, um den Druck zu ändern, die Strömungsgeschwindigkeit. ABER, es ist quadratisch . Ohne Luftstrom wird offensichtlich kein Rollmoment erzeugt, da die Geschwindigkeit null ist. Ein Flugzeug am Boden ohne Luftstrom über der Tragfläche versucht nicht zu rollen.

Im Allgemeinen können Sie für Roll-, Nick- und Gier-Autorität (das sind alle) das Gefühl berücksichtigen, wenn Sie in einem fahrenden Auto Ihre Hand aus dem Fenster halten. Wenn Sie Luft nach unten lenken, wird Ihre Hand nach oben gedrückt. In Wirklichkeit ist es der Druckunterschied zwischen oben und unten aufgrund von Strömungsgeschwindigkeiten. Je schneller Sie fahren, desto mehr Luftstrom, desto größere Druckunterschiede können Sie aufgrund des quadratischen Verhältnisses erzeugen. Je langsamer Sie fahren, desto geringer werden eventuelle Strömungsgeschwindigkeitsunterschiede, d. h. kein Druckunterschied, also keine Kraftwirkung.

Nehmen wir bei einigen Zahlen an, dass der Aufzug bei hoher Geschwindigkeit abgelenkt wird. Nehmen wir an, dass die Strömung über der Oberseite 100 beträgt (beliebige Geschwindigkeitseinheiten) und die Strömung darunter 110 beträgt. Der Druck oben wird sein$\frac{\rho}{2}*100^2 = \frac{\rho}{2}*10000$ignorieren wir die$\frac{\rho}{2}$Term, und seien Sie sich nur bewusst, dass es unsere Zahl linear in einen Druck umwandelt. Wir haben also 10000 Druckpunkte oben und 12100 Druckpunkte unten (mit derselben Formel). Das heißt, wir haben jetzt ein Netz von 2100 Druckdingern, die am Heck nach oben drücken. Großartig, das Heck hat genug Steuerkraft, um die Nase wie befohlen nach unten zu drücken.

Lassen Sie uns nun die Geschwindigkeit um den Faktor zehn verlangsamen. Die obere Luft geht auf 10, und die untere geht jetzt auf 11. Mal sehen, wie sich der Druck im Vergleich zu vorher verändert. Der Druck oben wird 100 Druckpunkte betragen und unten 121. Der resultierende Nettodruck, der auf das Heck wirkt, beträgt dann 21 Druckeinheiten, 100-mal weniger als zuvor , obwohl sich die Geschwindigkeiten nur um den Faktor zehn geändert haben. Jetzt wirkt 100-mal weniger Kraft auf das Heck (was zu einem entsprechend geringeren Moment führt) und Sie können die Tonhöhe möglicherweise nicht so gut kontrollieren, wie Sie möchten.

Steuerflächen werden verwendet, um die effektive Wölbung des Strömungsprofils zu ändern, das sie steuern. Beispielsweise würde ein nach unten abgelenktes Querruder die effektive Wölbung eines Flügels entlang der Spannweite des Querruders erhöhen. Eine Erhöhung des Sturzes erhöht den Auftrieb, der bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit über diesem Bereich des Flügels erzeugt wird, was das gewünschte Rollmoment verursacht. Es ist TEILWEISE auf diese Änderung des entwickelten Auftriebs zurückzuführen, die ein ungünstiges Gieren erzeugt, wodurch das Ruder erforderlich ist, um Kurven zu koordinieren.

Bei höheren Fluggeschwindigkeiten erzeugt der Flügel mehr Gesamtauftrieb und reagiert daher besser auf Änderungen des Sturzes.

Darüber hinaus reagieren die Steuerflächen auch gemäß dem 3. Newtonschen Gesetz – die Querruder lenken den vorbeiströmenden Luftstrom in eine andere Richtung als parallel zur Flügelhaut ab, was zu einer Reaktionskraft führt, die ein Rollen verursacht. Wie bei der Wölbungsänderung wird dieses Phänomen bei erhöhten Fluggeschwindigkeiten stärker ausgeprägt und umgekehrt bei einer Verringerung des Luftstroms weniger ausgeprägt.

Eine vereinfachte Erklärung finden Sie im FAA Pilot's Handbook

Dies kann durch das zweite Newtonsche Gesetz erklärt werden,$F = m\times a$und drittes Gesetz, jede Kraft hat eine gleiche Kraft in die entgegengesetzte Richtung.

$m$Hier ist die Masse des Luftstroms,$a$ist die durch den Luftstrom verursachte Beschleunigung (gesehen als geänderte Richtung des Luftstroms). Eine Kraft gleich$a\times m$auf die Steuerfläche ausgeübt wird. Mehr Luftstrom, mehr Masse, mehr Kraft.

Aus dem gleichen Grund, warum ein Flugzeug überhaupt in der Luft bleibt.