Warum ist die Kugel in einem mehrmotorigen Flugzeug mit funktionsunfähigem Triebwerk nicht mehr zentriert?

1. Asymmetrischer Schub bedeutet, dass Sie jetzt auf einer Seite mehr Schub haben als auf der anderen. Es entsteht ein Giermoment.
2. Dieses Giermoment möchte man ausgleichen, um trotzdem geradeaus zu fliegen. Das Flugzeug muss also an anderer Stelle ein gegenläufiges Giermoment erzeugen. Das dafür am besten geeignete Teil ist die Seitenleitwerksfläche, die dies tut, indem sie eine Seitenkraft durch Ruderausschlag erzeugt.
3. Mit dieser Seitenkraft würde das Flugzeug seitwärts beschleunigen, daher benötigen Sie eine kompensierende Seitenkraft, die die des Seitenleitwerks ausgleicht. Dies kann mit einer leichten Schräglage erreicht werden, sodass Ihr Flügel diese kompensierende Seitenkraft erzeugt.

Jetzt fliegen Sie mit einem Seitenschlupf und einem Querneigungswinkel ungleich Null, aber immer noch auf einer geraden Linie. Dadurch bewegt sich der Ball von der Mittelposition weg.

Beachten Sie, dass ein ähnlicher Effekt Hubschrauber vom Sikorsky-Typ im Schwebeflug seitlich hängen lässt: Um die vom Heckrotor erzeugte Seitenkraft gegen das Rotordrehmoment auszugleichen, muss die Rotorscheibe seitlich geneigt werden, um diese entgegenwirkende Seitenkraft zu erzeugen. Sonst würde der schwebende Helikopter seitwärts driften. Am Heckrotor-Hebelarm und der Schräglage können Sie direkt ablesen, wie effizient der Rotor Drehmoment in Auftrieb umsetzt.

(Hinweis: Die ersten beiden Absätze dieser Antwort zielten auf den ursprünglichen Titel dieser Frage ab, der lautete: "Warum zeigt der Ball in einem mehrmotorigen Flugzeug mit funktionsunfähigem Motor nicht mehr direkt nach unten?")

Lassen Sie uns zunächst ein Missverständnis ansprechen, das einige Leser Ihrem Titel entnehmen könnten. Beim linearen Flug mit konstantem Kurs in jedem Flugzeug, "koordiniert" oder auf andere Weise, "zeigt" die Rutsch-Kugel-Kugel immer gerade nach unten in Bezug auf die Erde. Wenn Sie die Vorstellung haben, dass bei einem linearen Flug mit konstantem Kurs in einem mehrmotorigen Flugzeug mit einem ausgefallenen Triebwerk die Kugel nicht "gerade nach unten" auf die Erde zeigt, dann haben Sie eine falsche Vorstellung - unabhängig davon, ob wir es tun oder nicht wenden den optimalen Rudereingang und Querneigungswinkel an, um den Widerstand auf ein Minimum zu reduzieren.

Aber "gerade nach unten" ist nicht dasselbe wie "zentriert", wenn das Flugzeug in Querlage ist. Genauer gesagt, unabhängig vom Querneigungswinkel und unabhängig davon, ob die beabsichtigte Flugbahn eine gerade Linie oder eine Kurve ist, erweist es sich als nicht optimal, die Rutsch-Kugel genau zentriert zu halten , wenn es um einen ausgefallenen Motor geht ein mehrmotoriges Flugzeug.

Nun zu Ihrer eigentlich beabsichtigten Frage, wie ich sie verstehe - ich gehe davon aus, dass der wahre Kern Ihrer Frage lautet: "Warum ist es nicht optimal, die Rutschkugel im Falle eines Motorausfalls in einem Multi- Motorflugzeug?" Oder anders ausgedrückt, in diesem Fall: "Warum ist der Ball nicht im "koordinierten" Flug zentriert?"

Sie müssen sich zunächst fragen, was "koordinierter Flug" bedeutet. Wir könnten "koordiniert" auf verschiedene Arten definieren, von denen eine wäre, dass "der Ball zentriert ist". Aber wenn wir mit "koordiniert" meinen, dass der Rumpf direkt in den relativen Wind zeigt, nicht zur Seite giert -- dh wenn wir meinen, dass ein Garnbüschel ("Gierschnur") in der Mitte der Windschutzscheibe angebracht wäre zentriert sein, nicht zu einer Seite blasen - dann wollen wir nicht immer, dass der Ball vollständig zentriert ist, insbesondere im Fall eines ausgefallenen Triebwerks in einem mehrmotorigen Flugzeug.

Was hier vor sich geht, ist, dass, wenn der Rumpf vollständig auf den relativen Wind ausgerichtet ist und nicht giert, um beide Seiten des Rumpfes dem Luftstrom auszusetzen – die optimale Situation zur Minimierung des Luftwiderstands –, dann kann der Ball nicht vollständig zentriert werden, weil das Ruder selbst , das stark ausgelenkt wird, um den ausgefallenen Motor zu kompensieren, erzeugt eine erhebliche aerodynamische Seitenkraft und daher eine erhebliche Beschleunigung auf das ausgefallene Triebwerk zu . Das Kompensieren dieser Seitenkraft durch eine leichte Schräglage in Richtung des guten Triebwerks verhindert, dass sich die Flugbahn krümmt, dh das Flugzeug dreht sich nicht, sodass der Kurs des Flugzeugs konstant bleibt, aber die Position des Balls nicht beeinflusst, sodass der Ball weiterhin bleibt nicht zentriert.

Wenn wir genügend Ruderdruck ausüben, um den Ball vollständig zu zentrieren, würde dies bedeuten, dass wir die Seite des Rumpfes (die Seite, die dem ausgefallenen Triebwerk am nächsten liegt) dem Luftstrom aussetzen und so eine aerodynamische Seitenkraft erzeugen, die die Seitenkraft des ausgelenkten Ruders genau aufhebt . (Und in diesem Fall könnten wir den Kurs mit geraden Flügeln halten – es gäbe keine Wendetendenz.) Das ist nicht optimal – der Luftwiderstand ist größer als nötig.

Beachten Sie, dass in beiden Fällen das Drehmoment des ausgelenkten Ruders das Drehmoment der Schubasymmetrie aufhebt. Im letzteren Fall erzeugt der etwas größere Ruderausschlag tatsächlich ein kleines zusätzliches Drehmoment, das verwendet wird, um den Rumpf und die Seitenflosse in Bezug auf den relativen Wind und Luftstrom leicht seitwärts zeigen zu lassen – auch das ist nicht optimal.

Theoretisch passiert dies jedes Mal, wenn wir das Ruder aus irgendeinem Grund ausschlagen. Wenn wir den Rumpf stromlinienförmig zum Luftstrom halten wollen und das Seitenruder überhaupt ausgelenkt ist, sollte die Kugel nicht vollständig zentriert sein. Vielmehr sollten wir etwas weniger Ruder anwenden als nötig wäre, um den Ball vollständig zu zentrieren. Andernfalls setzen wir die Seite des Rumpfes, die Seite gegenüber dem ausgelenkten Seitenruder, dem Luftstrom aus. Aber normalerweise ist dieser Effekt trivial genug, dass wir uns darüber keine Gedanken machen. Nicht so, wenn das Ruder stark ausgelenkt wird, um dem Drehmoment eines ausgefallenen Motors entgegenzuwirken.

Wir könnten uns ein anderes System der Giersteuerung vorstellen – wie etwa die geteilten „Clamshell“-Querruder der B-2 Spirit – das würde viel Giermoment erzeugen, aber keine signifikante aerodynamische Seitenkraft. Wenn in diesem Fall eine Schubasymmetrie vorliegt, um die Mittellinie des Flugzeugs vollständig mit der Richtung der Flugbahn, dem relativen Wind und dem Luftstrom auszurichten, sollte der Ball einfach zentriert und nicht zu einer Seite abgelenkt werden. ¹

Vielleicht würde es helfen, es so zu erklären: Eine Sichtweise wäre zu sagen, dass Sie das Ruder nach Bedarf verwenden sollten, um den Kurs konstant zu halten, und dann, während Sie den Kurs konstant halten, genug in Richtung des guten Motors neigen um die Kugel etwas außermittig zu bewegen (ein halber Durchmesser wird oft empfohlen). Aber eine andere Sichtweise ist zu sagen, dass Sie das Seitenruder nach Bedarf anwenden sollten, um den Ball fast, aber nicht vollständig in die Mitte zu bringen (wiederum wird oft ein halber Durchmesser außerhalb der Mitte empfohlen), so dass der Rumpf vollständig stromlinienförmig zum Luftstrom ausgerichtet ist , und dann, während Sie den Ball in dieser Position halten, neigen Sie sich nach Bedarf in Richtung des guten Motors, um jegliche Drehtendenz zu stoppen und den Kurs konstant zu halten. Theoretisch landen Sie mit beiden Methoden am selben Ort. Zugegeben, in der realen Welt gibt es Gründe dafür. Es ist sehr wichtig, jedem Gieren in Richtung des ausgefallenen Triebwerks sofort entgegenzuwirken, daher ist die erste Methode – Priorisierung des konstanten Steuerkurses – möglicherweise besser. Wenn Sie jedoch darüber nachdenken, wie die zweite Methode funktionieren würde, können Sie möglicherweise besser verstehen, was in Bezug auf aerodynamische Kräfte und Drehmomente wirklich vor sich geht.

PS - Ich denke, ich gehe hier von einer Annahme aus, dass Sie den Unterschied zwischen Seitenkraft und Drehmoment verstehen . Ich gehe auch von der Annahme aus, dass Sie verstehen, was die Rutsch-Rutsch-Kugel (Inklinometerkugel) wirklich anzeigt. Die Rutsch-Gleit-Kugel reagiert auf die Nettosumme aller seitlichen (seitlichen) Beschleunigungen, die auf ein Flugzeug wirken, mit Ausnahme der seitlichen Beschleunigungskomponente aufgrund der Schwerkraft. Und dies verwendet "seitlich" oder "seitwärts" in Bezug auf den eigenen Referenzrahmen des Flugzeugs-- deshalb beeinflusst die Schräglage an und für sich weder die Position des Balls, noch erzeugt sie aerodynamische Seitenkräfte. (Natürlich ist es eine andere Geschichte, wenn wir auch einige andere Variablen ändern, zum Beispiel wenn wir das Ruder nach Bedarf manipulieren, um die Flugbahn dazu zu zwingen, in einer geraden Linie zu bleiben, wenn wir den Querneigungswinkel variieren, in diesem Fall werden wir es sein zeigt einen Seitenschlupf.) (Viel) mehr finden Sie in dieser verwandten ASE-Antwort: Was zeigt der Balanceball eigentlich an?

Siehe auch diese verwandte ASE-Antwort: Warum sollten Sie nicht in Richtung eines nicht funktionierenden Motors drehen?

Und siehe auch diese verwandte Antwort: Wie kann die Verwendung von Split Throttles helfen, wenn Zwillinge bei Seitenwind gelandet werden?

Schlussbemerkung: Beachten Sie, dass diese Antwort und mindestens eine andere gepostete Antwort grundsätzlich übereinstimmen, mit der Ausnahme, dass in dieser Antwort das Wort "Seitenkraft" speziell in Bezug auf den eigenen Referenzrahmen des Flugzeugs verwendet wird. Durch diese Konvention erzeugt das Bankieren eine horizontale (seitliche?) Kraft, die verhindert, dass sich die Flugbahn krümmt (das Flugzeug am Drehen hindert), aber keine "Seitenkraft" im eigenen Referenzrahmen des Flugzeugs erzeugt, daher der Querneigungswinkel nicht wirken sich direkt auf die Auslenkung der Gleit-Gleit-Kugel aus. Außerdem soll die vorliegende Antwort, obwohl möglicherweise ausführlicher als unbedingt notwendig, Situationen umfassen, in denen das Flugzeug nicht einfach in einer geraden Linie fliegt.

Fußnoten:

1. Andererseits ist das Minimieren des Seitenschlupfs (Zentrieren der Gierschnur) im Hinblick auf die Minimierung des Luftwiderstands in einem Allflügelflugzeug wie der B-2 mit minimalem Querschnitt in der Seitenansicht nicht so wichtig. Betrachten Sie dieses Zitat aus der 35. Wright Memorial Lecture von Jack Northop über die Entwicklung von Nurflügelflugzeugen : „Für Flugzeuge mit sehr langer Reichweite gibt es einen wertvollen kompensierenden Vorteil darin, unter Bedingungen asymmetrischer Leistung ohne merkliche Erhöhung des Luftwiderstands fliegen zu können. " In einem solchen Fall sollte der Pilot einfach alle Steuereingaben vornehmen, die das Flugzeug beim Rollen am effizientesten ausbalancieren, mit minimaler Luftwiderstandsstrafe, und solange das Flugzeug effiziente Querruder hat, ist das Minimieren des Seitenschlupfes (Zentrieren der Gierschnur) weniger wichtig als in a konventionellere Flugzeuge.