Warum sind Verkehrsflugzeuge nicht von Natur aus "geschwindigkeitsstabil"?

Leichtflugzeuge und Transportflugzeuge verhalten sich hinsichtlich der Trimmung auf Geschwindigkeit genau gleich. Die Trimmung ist für den Anstellwinkel, aber die Leistung wirkt sich auf die Trimmung aus, und die phugoide Oszillation tritt in Geschwindigkeit und Tonhöhe auf, da die Rückkopplung zweiter Ordnung ist.

Die Boeing FBW hat keine Probleme, irgendetwas nachzuahmen. Es übersetzt einfach die Steuerkräfte und die Position genau so, wie es eine hydromechanische Verbindung tun würde, nur in elektrische Signale. Das Flugzeug ist noch stabil.

Airbus-Flugzeuge sind ebenfalls alle stabil, aber ihr FBW lockert die Stabilität durch automatisches Trimmen für die aktuelle Geschwindigkeit. Das Ergebnis ist, dass der Sidestick den Flugbahnwinkel und die Leistung die Geschwindigkeit steuert.

Die einzige Ausnahme von der Stabilität sind Kampfjets (beginnend mit F-16). Diese sind aerodynamisch instabil, um eine schnellere Steuerreaktion zu erzielen, und ihre FBW macht sie neutral (dh das Joch / der Steuerknüppel steuert wieder den Flugbahnwinkel).

Der Grund dafür, dass große Flugzeuge oft nicht gerade geschwindigkeitsstabil sind, liegt darin, dass die Schublinie nicht durch den Schwerpunkt des Flugzeugs verläuft. Eine Änderung der Schubeinstellung bewirkt daher eine Änderung des Nickmoments.

In kleinen Propellerflugzeugen wirkt der Schub normalerweise durch oder in der Nähe des Schwerpunkts, und daher sind die Flugzeuge geschwindigkeitsstabil.

Ich werde versuchen, es aus einem etwas anderen Blickwinkel anzugehen.

Grundsätzlich gibt es hinsichtlich der Stabilität keinen Unterschied zwischen Leichtflugzeugen und Verkehrsflugzeugen. „Normalerweise“, dh an der „Vorderseite“ der Leistungskurve, wenn das Flugzeug statisch stabil in der Neigung (oder genauer gesagt im Anstellwinkel) ist, wird es in der Geschwindigkeit stabil sein.

Wenn Sie eine klassische Trimmklappe und ein freischwebendes Höhenruder (umkehrbare Steuerung) haben, verhält es sich immer noch weitgehend wie ein irreversibler ('fester') Stabilisator / Höhenruder: Wenn Sie beschleunigen, nehmen die aerodynamischen Kräfte auf das Höhenruder und auf die Trimmklappe zu proportional, und die Scharnierbalance bleibt erhalten. (Natürlich vorausgesetzt, dass die Änderungen nicht zu groß sind, um den Fluss dramatisch zu verändern). Bei entspannter Kontrolle wird es einen Unterschied in der Nickstabilität geben, weil das Höhenruder „floppt“, aber am Ende wird der stationäre Zustand derselbe sein.

Es gibt jedoch erhebliche „praktische“ Unterschiede zwischen leichten und schweren Flugzeugen, die dazu führen, dass sie sich in dieser Hinsicht unterschiedlich verhalten.

• Erstens, wie bereits erwähnt, verläuft die Schublinie bei den meisten modernen Verkehrsflugzeugen ziemlich weit vom Zentrum des Luftwiderstands (und des Schwerpunkts) entfernt. Dies spielt jedoch eine Rolle für die durch Schub verursachten Geschwindigkeitsänderungen, die im Gegensatz zu Steigungsänderungen die praktisch relevantesten Änderungen sind. (Es kommt selten vor, dass eine Windscherung von solcher Dauer auftritt, dass sich die Geschwindigkeit wieder stabilisiert). Wenn die Schublinie niedrig genug ist, kann die Trimmung (in Bezug auf Schubänderungen) vollständig destabilisiert werden. Tatsächlich ist die Tortur der 737 MAX ein Beweis dafür, wie wichtig solche Überlegungen sind.
• Zweitens, und das ist interessanter, ist die sogenannte langperiodische Bewegung (insbesondere Geschwindigkeit) bei schweren Flugzeugen stärker von der kurzperiodischen Bewegung (z. B. Nicken) entkoppelt als bei leichten Flugzeugen. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeits- und Höhendynamik ist in Bezug auf die Nick-/Roll-/Gier-Dynamik langsamer.

Letzteres verdient eine Diskussion. Für den Piloten wird die Steuerung dadurch teilweise schwieriger – teilweise aber auch einfacher. Dies hängt alles von der jeweiligen Aufgabe ab.

Insbesondere wenn wir nur die Trimmung ändern, wird ein leichtes GA-Flugzeug sehr schnell ein neues Gleichgewicht mit Geschwindigkeit und Steigwinkel finden. Aber ein schwerer Wille erreicht (natürlich) schnell die neue AoA und tritt dann in eine lange Folge von phugoiden Oszillationen mit sehr langer Periode ein. Hier können Ingenieure den Piloten helfen, die Steuerung so komfortabel zu gestalten, wie sie es wünschen.

Geben Sie menschliche Faktoren ein. Im Allgemeinen sagt uns die Forschung, dass wir die besten Ergebnisse erzielen, wenn wir die erste Ableitung des Zielparameters kontrollieren. Sagen wir, wenn wir mit einer Waffe zielen wollen, brauchen wir einen Joystick, der seine Nick- und Azimuth- (oder Giergeschwindigkeit, wenn Sie möchten) proportional zur ausgeübten Kraft steuert.

Welche Steuerung ist also die „beste“ für ein Flugzeug? Das hängt natürlich vom Ziel ab. Viele moderne Steuerungssysteme konfigurieren sich für andere Aufgaben neu. Aber für das „normale“ Fliegen wollen wir hauptsächlich den Flugbahnwinkel steuern. Dies ist ein Integral vom Lastfaktor entfernt, und deshalb steuert der Airbus-Stick (zu einem großen Teil) den Lastfaktor.

Großartig? Fast. Nicht ganz. Es gibt ein Problem mit Menschen. Wir sagen natürlich Dinge voraus. Wenn wir mit der Welt interagieren – wir gehen, wir sehen – prognostizieren wir ständig und unbewusst die Welt, wie sie in wenigen Augenblicken sein wird. Infolgedessen bevorzugen wir, wenn die Bewegung einigermaßen langsam ist und unsere Fähigkeiten nicht übersteigt, eine scheinbar "schwierigere" Art der Steuerung - direkt, ohne Integral zwischen Eingang und Ausgang. Oder eine Mischung daraus. Und wir erzielen tatsächlich messbar bessere Ergebnisse. Für unsere kleine Aufgabe, die Geschwindigkeit einzustellen, ist die Einstellung der Trimmung (oder der Höhenrudersteuerung im Allgemeinen) für die Geschwindigkeitssteuerung „direkter“ und schneller als die Schubsteuerung, obwohl die zugrunde liegende Dynamik komplizierter sein kann. Dies mag für die meisten Menschen kontraintuitiv sein, aber erfahrene Piloten bevorzugen dies möglicherweise,

Alle auf ein Flugzeug wirkenden Kräfte und Momente mit folgenden Hauptgruppen:

• Flügel/Rumpf/Triebwerksgondeln, gekennzeichnet mit Index w. Komponenten sind$N_w$und$T_w$der aerodynamischen Gesamtkraft$R_w$Einwirken auf das aerodynamische Zentrum der Gruppe Flügel/Rumpf/Triebwerksgondel; und der Augenblick$M_{ac_w}$
• Horizontaler Schwanz. Analog zur Flügelgruppe:$N_h$und$T_h$wirkt auf das aerodynamische Zentrum der horizontalen Leitwerksgruppe$ac_h$; und der Augenblick$M_{ac_h}$
• Die Antriebsanlage. Beiträge von Propeller- oder Strahltriebwerken sind Schub$T_p$entlang der Propellerebene oder des Düsenauslasswinkels; und die senkrechte Kraft$N_p$was auftritt, wenn der Propeller- oder Düseneinlass einen anderen lokalen Winkel als Null hat.

Bei getrimmtem Flugzeug sind die Momente um die y-Achse:

M =$+\;M_{ac_w} + N_w(x_{cg} - x_w) - T_w(z_{cg} - z_w) \;+$

$\quad\;\;+\; M_{ac_h} + N_h(x_{cg} - x_h) - T_h(z_{cg} - z_h) \;+$

$\quad\;\;+\; (N_p \cdot cos\; i_p + T_p \cdot sin\; i_p) \cdot (x_{cg} - x_p) \;+$

$\quad\;\;+\; (T_p \cdot cos\; i_p - N_p \cdot sin\; i_p) \cdot (z_{cg} - z_p) = 0$

Jetzt Schub erhöhen =>$T_p$und$N_p$Zunahme. Wenn$(z_{cg} - z_p)$≠ 0 und/oder$(x_{cg} - x_p)$≠ 0, erzeugt die Schubänderung eine Momentenänderung, der mit einer Änderung entgegengewirkt werden muss$N_h$.

Also stimme ich der Antwort von DeltaLima zu.

Der Flug ist getrimmt: Schub & Widerstand & alle Momente rund um den CoG sind im Gleichgewicht, das macht die Trimmeinstellung, egal ob Trimmklappe oder Stabilisator oder ein kleiner Regenschirm, der aus dem Cockpit ragt. Jetzt steigt die Leistung:

• im Falle eines Jets mit untergebauten Triebwerken steigt der Schub unterhalb des CoG;
• das Gesamtmoment um den CoG ändert sich: destabilisiert für erhöhten Schub (Nose-Up-Moment);
• Das Flugzeug muss neu getrimmt werden.

Dies ist nicht der Fall, wenn der Schub mit CoG übereinstimmt, beispielsweise in kleinen PPL-Flugzeugen oder zweiheckmotorigen Flugzeugen wie der MD-80 und der Fokker 100.

Der Begriff Geschwindigkeitsstabilität wird übrigens meist in Bezug auf die Reaktion des Flugzeugs auf eine plötzliche Böe in x-Richtung verwendet. Um für den Flug zugelassen zu werden, muss die Reaktion immer ein stabilisierendes Moment liefern. Ich bin mir nicht sicher, ob diese Art von Schub-Trimm-Feedback einen bestimmten Namen hat, Trimmstabilität könnte angemessen sein.

Wie kann ein Verkehrsflugzeug ohne FBW "geschwindigkeitsstabil" ausgelegt werden?

Wenn wir No Deviation From Trim meinen: mit gegeben$(z_{cg} - z_p)$und$(x_{cg} - x_p)$, die Parameter der Flugzeugkonfiguration und -beladung sind, sind die Momente um den Schwerpunkt eine lineare Funktion des Schubs. Ein automatisches Trimmsystem würde eine Höhenrückmeldung enthalten und kann in jedem Flugsteuerungssystem unabhängig von FBW oder mechanischem Kabeleingang implementiert werden.

Alles oben ist über statische Stabilität. Die dynamische Reaktion auf eine Störung ist normalerweise zweigeteilt:

• Eine schnelle Reaktion, zu schnell für eine Reaktion des Piloten, die stark positiv gedämpft werden muss. Der horizontale Schwanz, der senkrecht zur lokalen Strömung steht, sorgt für diese starke Dämpfung.
• Eine Reaktion mit langer Periode, der Phugoid, der sich in eine neue Gleichgewichtsposition zurückziehen muss, wenn er nicht vom Piloten korrigiert wird.

Die Gleichgewichtslage ist der Schlüssel zur OP-Frage und ein Parameter der statischen Stabilitätsbetrachtung. Der Störung des Schubmoments muss ein aerodynamisches Moment entgegenwirken, um die alte Gleichgewichtslage beizubehalten.

Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass wir es mit einem in Längsrichtung stabilen Flugzeug zu tun haben, bei dem eine kleine Erhöhung des Anstellwinkels bewirkt, dass sich das Nickmoment am Flugzeug ändert, so dass der Anstellwinkel abnimmt. In ähnlicher Weise bewirkt eine kleine Verringerung des Anstellwinkels eine Änderung des Nickmoments, so dass der Anstellwinkel zunimmt.

Wenn Sie den Schub erhöhen und wenn er mit dem Schwerpunkt übereinstimmt, erhöhen Sie zunächst die Geschwindigkeit, also den am Flügel erzeugten Auftrieb, der einen Steigflug verursacht, ähnlich wie bei Zivilflugzeugen erhöht sich auch die Geschwindigkeitserhöhung Abwärtskraft auf den horizontalen Stabilisator, die ein Nickmoment nach oben und auch einen Steigflug verursacht. Aus diesem Grund muss ein Pilot ein Flugzeug häufig nach jeder Änderung der Leistung und Fluglage neu trimmen.

Was ist mit FBW?

Hängt es damit zusammen, eine Trimmklappe anstelle einer Stabilisatortrimmung zu haben? (Nur eine Spekulation.)

In Bezug auf Boeing FBW haben Sie vollkommen recht , es tut so, als ob es so wäre, wie Sie sagen, als Beweis, im B777-Simulator (wahrscheinlich dasselbe für die B787), wenn Sie die Flugsteuerungsseite im Flug anzeigen, und ohne Wenn Sie die Säule bewegen, betätigen Sie einfach den Daumenschalter für einen kurzen Moment, Sie bemerken, dass sich die Aufzüge bewegen , als ob Sie auf die Säule einwirken würden ; danach, und erst danach, bewegt sich das THS und die Höhenruder kehren in die Neutralstellung zurück.

In Bezug auf die Airbus-Philosophie ist es anders (es gibt keine Daumenschalter, Sie können direkt auf das sehr leicht zu bewegende Rad einwirken, aber normalerweise berühren Sie es nicht im Flug, sondern nur am Boden, um den THS für den Start einzustellen ).

Bei Airbus ist das FBW-Management anders. Die Z-Achse hängt vom Side Stick ab, der eine Lastfaktorordnung gibt. Wenn der Steuerknüppel nicht berührt wird, ist der Lastfaktor gleich 1, das heißt, wenn er auf Flughöhe stabilisiert ist, erhöht jede Schuberhöhung nur die Geschwindigkeit, ohne dass der Auftrieb erhöht wird, dh die Computer wirken auf die Höhenruder, um ein Nicken zu verhindern Wirkung aufgrund der Geschwindigkeitserhöhung. In ähnlicher Weise wird, wenn der Schub verringert wird, die AOA zunehmen, um die Flughöhe innerhalb der maximal zulässigen AOA zu halten. In Bezug auf die Trimmung, die immer automatisch im Flug ist, gibt jede Aktion am Steuerknüppel einen Lastfaktor (über 1 oder unter 1), der durch die Computer sofort auf die Höhenruder wirkt, später wird der Stich automatisch ausgeführt vorbei und die Aufzüge gehen in Neutralstellung. Beim Auf- oder Abstieg,

Sobald die Geschwindigkeit getrimmt (und in Ruhe gelassen) und die Leistung erhöht wird (zum Beispiel), hätte eine Trimmklappe (wie bei einem typischen Leichtflugzeug) keinen größeren Einfluss auf die Neigungsreaktion (Geschwindigkeitsstabilität) im Vergleich zu den jetzt- fester Stabilisator (Jet-Liner)?

Die Trimmflosse ist nur ein Teil des Systems, mit den folgenden Auswirkungen auf die Längsstabilität nur für den festgeklebten Zustand .

• CG-Position
• flache Plattenfläche (Luftwiderstandsbeiwert)
• Flügelfläche
• Seitenverhältnis
• Flügel$C_{L \alpha}$
• Oswalds Koeffizient
• Heckbereich
• Seitenverhältnis des Schwanzes
• Schwanz$C_{L \alpha}$
• Geometrie von Flügel, Heck und CG (wie weit auseinander, jeder Schritt nach unten oder oben für Heck WRT zum Flügel)
• Flügel$C_{M \alpha}$
• Atmosphärendichte
• Trägheitsmoment des Flugzeugs um die Y-Achse
• Flugzeugmasse
• Prop gegen Jet
• Propeller mit konstanter Geschwindigkeit im Vergleich zu fester Steigung

Werfen Sie jetzt Stick-Free ein, und Sie erhalten Ihre Trimmklappe, den Druckmittelpunkt im Vergleich zum Drehmittelpunkt des Hecks und alle Federn und Bobweights im Steuersystem. Kurz gesagt, es ist kompliziert.

1. "Speed ​​stable" ist statische Stabilität unter Schub. Wenn das Flugzeug schneller als die Trimmgeschwindigkeit ist, wird es aerodynamisch durch erhöhten Heckabtrieb aufsteigen und durch langsamere Geschwindigkeit nach unten neigen. Dies ist eine Beziehung zwischen dem Schwerpunkt und dem NET-Schwerpunkt des Nickmoments aus aerodynamischen und Schubkräften.

2. Nein, es funktioniert genauso für handgehaltene Segelflugzeuge bis hin zu 747s.

3. Sie können eine Trimmklappe, eine Höhenrudereinstellung und/oder eine horizontale Stabilisator-Abziehänderung (Einfall relativ zum Flügel) verwenden, um die Menge an negativem oder positivem Auftrieb einzustellen, die Ihr Heck erzeugt. Um "geschwindigkeitsstabil" zu sein, möchten Sie einen leicht nach vorne gerichteten Schwerpunkt (vom Flügel-CP) und Abtrieb am Heck. Der Schubkraftvektor darf das Flugzeug nicht statisch instabil machen.

4. FBW, hydraulische Verstärkung, manuelle Riemenscheiben und Kabel, R / C-Servos machen alle dasselbe, nämlich das Ablenken der Steuerflächen, wenn sie vom Piloten (oder Computer) befohlen werden. Der Schlüssel liegt in der richtigen Gestaltung des horizontalen Stabilisators und des Höhenruders, um seine Doppelfunktion als Wetterfahne zu erfüllen, um den AOA des Flügels dort zu halten, wo Sie ihn haben möchten, und als zweiter Flügel, um die Neigung zu ändern (durch Ändern des Nettozentrums des Auftriebs).

Das Abwinkeln des Schubvektors wird üblicherweise in Flugzeugen durchgeführt, wenn das Zentrum des Luftwiderstands (hauptsächlich der Flügel) von der Position der Triebwerkshalterung versetzt ist. Wenn ein erhöhter Schub dazu neigt, das Flugzeug nach oben zu neigen, hilft der Abwärtswinkel vor dem Massenmittelpunkt (Traktor) oder der Aufwärtswinkel hinter dem Massenmittelpunkt (Schieber) mit dem Effekt, die Nase abzusenken, dabei, den Auswirkungen der Asymmetrie entgegenzuwirken. Der Schubwinkel mit der Nase nach unten wird häufig in den Designs von Hochflügeltrainern gesehen.

Der Boeing-Link "Some Matter" besagt ausdrücklich, dass "Geschwindigkeitsstabilität" ab einem waagerecht getrimmten Flug mit einer konstanten Schubeinstellung getestet wird. Die "Geschwindigkeitsstabilität" verändert im Wesentlichen den negativen Auftrieb des gesamten Hecks, um eine höhere oder niedrigere statisch stabile Trimmgeschwindigkeit zu erzeugen.

Leider beeinflusst der Schubwinkel die Nickstabilität und die Trimmeinstellungen erheblich und muss daher bei den Konstruktionsparametern stark berücksichtigt werden, insbesondere wenn es eine potenziell große Variation der statischen Stabilität gibt, wie dies bei Fracht- / Passagiertransportern der Fall ist.

Nun, "zwischen den Zeilen lesen": Der Geschwindigkeitsstabilitätstest wird unter Schub durchgeführt (im Vergleich zum Gleiten mit 0 Schub). Wenn also der Schub konstant gehalten und das Flugzeug durch Aufwärtsneigung verlangsamt wird, können einige sehr wichtige Informationen aus dem entnommen werden Flugdaten: Wie stark beeinflusst die Schublinie die statische Stabilität! Unter welchen Bedingungen wird die Schublinie das Flugzeug statisch instabil machen!

Daher muss dieser Test bis zum Scheitern durchgeführt werden, um die richtige Schublinie, die hintere CG-Grenze und das richtige Heckdesign zu bestimmen. Es muss mit dem rigorosesten Downwashing, dem höchsten AOA, der maximalen Leistung und der niedrigstmöglichen Geschwindigkeit durchgeführt werden, um festzustellen, wann die statische Stabilität verloren geht.

Nicht nur zu bestehen, sondern mit einem angemessenen Sicherheitsabstand zu bestehen.

Zukünftige Konstruktionsüberlegungen zur Einsparung von Luftwiderstand können in die Richtung der Citation X gehen. Es besteht die Möglichkeit, den Luftwiderstand an der Flügelwurzel zu verringern, indem der Motoreinlass den turbulenten Luftstrom in diesem Bereich glättet. Man könnte sogar darüber nachdenken, die Gondeln komplett in den Flügelwurzeln zu vergraben.

Aber "Luftwiderstand sparen" durch Verkleinern des äußerst wichtigen horizontalen Stabilisators erscheint albern, wenn andere Optionen verfügbar sind.

Ich liebe die Art und Weise, wie jeder es vermeidet, über Segelflugzeuge zu sprechen, wenn es um Nickstabilität geht, was im Wesentlichen dasselbe ist wie Geschwindigkeitsstabilität. Ja, die Änderung des Schubs wirkt sich darauf aus, wo sich ein Flugzeug ausbalanciert, aber Segelflugzeuge haben auch Stabilität, ohne jeglichen Schub. Sie können die Flugphysik nicht wirklich verstehen, ohne Segelflugzeuge zu verstehen.

Jedes Flugzeug mit einem konventionellen Heck hat horizontale Stabilisatoren, die als umgekehrte Flügel fungieren und die Vorwärtsbewegung (Rückwärtsluftstrom) in das Gegenteil des Auftriebs umwandeln. Sie drücken auf den Schwanz.

Wenn Sie die Nase zu weit nach unten halten, beschleunigen Sie wie ein Fahrrad, das einen steilen Hügel hinunterfährt. Das Beschleunigen erhöht den Auftrieb an den Flügeln und erhöht den Abwärtsdruck auf die horizontalen Stabilisatoren. Der Schwanz geht nach unten. Die Nase geht nach oben.

Die Nase zu hoch und wie ein Fahrrad, das bergauf rollt, wird es langsamer. Die Flügel heben weniger, die horizontalen Stabilisatoren drücken weniger nach unten und die Nase senkt sich. Das Flugzeug pendelt zwischen zu viel Nase nach oben oder Nase nach unten, jedes Mal etwas weniger extrem, bis es sich bei einer Neigung und einer Geschwindigkeit einpendelt. Das Wetter kann dies etwas stören, aber zum größten Teil Hände weg vom Steuerknüppel und das Flugzeug fliegt selbst mit einem Neigungswinkel und einer Geschwindigkeit. Das ist Stabilität.

Ändern Sie das Gewicht und die Flugzeugzelle balanciert an einem anderen Punkt. Ändern Sie den Schwerpunkt und wieder findet die Flugzeugzelle einen anderen Gleichgewichtspunkt.

Canard-Designs erreichen auf unterschiedliche Weise Stabilität. Da sich der horizontale Stabilisator vorne befindet, muss er die Nase hochhalten, anstatt das Heck nach unten zu drücken. Es erreicht Stabilität durch einen steileren Anstellwinkel als der Hauptflügel. Um diese Funktion zu konstruieren, passen Sie die Größe des Flügels so an, dass er eine schwerere Last pro Fläche trägt, was den höheren Anstellwinkel erfordert, um die Nase hochzuhalten.

Da der Auftrieb durch eine Kombination aus Anstellwinkel und Fluggeschwindigkeit bestimmt wird, reagiert der kleinere, steilere Canard stärker auf Änderungen der Fluggeschwindigkeit als der Hauptflügel, sodass die Nase bei einem schnelleren Flug nach oben geht und bei einem langsameren Flug die Nase fällt herunter. Wenn Sie es richtig machen, bleibt der Canard vor dem Hauptflügel stehen, was dazu führt, dass die Nase herunterfällt, sodass es unmöglich wird, den Hauptflügel abzuwürgen.

Der Canard ist effizienter als das herkömmliche Heckdesign, da alle horizontalen Flächen den Auftrieb erhöhen. Das herkömmliche Heck erzeugt im Wesentlichen künstliches Gewicht am Heck des Flugzeugs, wodurch der Hauptflügel schwerer zu kompensieren ist.

Aber Canard-Designs fliegen so gut, dass sie schwerer zu landen sind. Der Anflug ist tendenziell flacher und erfordert längere Landebahnen.