Warum sollte ich bei meinem ultraleichten Design kein „Lifting Tail“ verwenden?

Sie können einen anhebenden "Schwanz" für jedes Flugzeugdesign verwenden, dies hängt jedoch vom Design ab. Die einzige Anforderung an ein natürlich stabil fliegendes Flugzeug ist, dass es einen einigermaßen guten positiven statischen Spielraum haben muss. Und damit dies geschieht, muss die hintere Flugfläche eine geringere Flächenbelastung haben als die vordere Flugfläche - dies bedeutet nicht unbedingt Abtrieb, obwohl dies eine einfache Möglichkeit ist, die Regel einzuhalten.

In einem extremen Fall müssen Sie ein anhebendes "Heck" verwenden, oder das Flugzeug hätte nicht genug Auftrieb zum Fliegen. Dies sind Canard-Flugzeuge wie die Rutan Long-EZ. Jetzt können Sie argumentieren, dass das Ding hinten kein Schwanz, sondern ein Flügel ist. Ja, wenn Sie darauf bestehen würden, Flugzeuge nach starren Kategorien zu klassifizieren, dann wird die hintere Flugfläche von Canard-Flugzeugen normalerweise als "Flügel" bezeichnet, aber diese Denkweise wird Sie blind dafür machen, was wirklich mit der Flugzeugstabilität passiert, wenn Sie das Planform-Design ändern.

CG-Platzierung, Kräfte am Heck und Planform

Die richtige CG-Platzierung für Stabilität hängt von mehreren Dingen ab, einschließlich des Abstands zwischen den Flügeln und Stabilisatoren und dem Profil der Flügel, aber der dominierende Faktor ist das Verhältnis zwischen der Fläche der Flügel und der Fläche des Stabilisators.

Die meisten Flugzeuge in Originalgröße, einschließlich Ultraleichtflugzeuge, haben in der Regel sehr kleine Stabilisatoren:

In dieser Konfiguration liegt der stabile Schwerpunktbereich normalerweise zwischen der Vorderkante der Flügel und dem Mittelpunkt der Sehne. Typischerweise manifestiert sich dies in der Faustregel zwischen 25 % und 33 % des Akkords, aber für tatsächliche Werte müssen Sie den CG basierend auf Ihrem gewünschten statischen Spielraum berechnen.

Sie werden feststellen, dass die meisten Modellflugzeuge tendenziell größere Stabilisatoren haben. Dies gilt insbesondere für nicht maßstabsgetreue Modelle und noch mehr für Freiflugmodelle:

In dieser Konfiguration scheint der Schwerpunkt für denselben statischen Spielraum (Stabilität) ziemlich weit hinten zu liegen. In den meisten Fällen sind es 50 % des Akkords – genau in der Mitte der Flügel. Es erscheint nur so im Vergleich zu maßstabsgetreuen Flugzeugen oder maßstabsgetreuen Modellen. Aerodynamisch ergibt die CG-Platzierung genau das gleiche Maß an Stabilität.

Dies ist der Zeitpunkt, an dem einige Flugzeuge mit einem angehobenen Leitwerk getrimmt werden können. Einige reale Flugzeuge mit großen Leitwerken wie die Avro Lancaster können unter bestimmten Bedingungen fliegen, als würde das Leitwerk angehoben.

Wenn Sie den Stabilisator weiter vergrößern, verschiebt sich der Schwerpunkt für stabilen Flug weiter nach hinten:

Dies wird häufig in Modellen mit Freiflugdauer beobachtet. Fast alle Flugzeuge mit einer solchen Grundrissform haben ein anhebendes "Heck". Es ist selten, ein echtes Flugzeug mit dieser Grundrissform zu sehen, aber es gibt ein sehr berühmtes Design, bei dem man offensichtlich das anhebende Leitwerk sehen kann - das Pou-de-Ciel:

(Beachten Sie, dass das ursprüngliche Design des Pou-de-Ciel einen katastrophalen Fehler aufweist, bei dem der hintere Flügel mit dem Abwind des vorderen Flügels interagiert - spätere Überarbeitungen bewegten den Flügel um einige Zentimeter nach hinten - BAUEN SIE DAS NICHT, es sei denn, Sie kennen alle Probleme)

Wenn Sie das Verhältnis zwischen den vorderen und hinteren Auftriebsflächen weiter ändern, erhalten Sie am Ende einen Tandemflügel. Wenn Sie den Trend an dieser Stelle verfolgt haben, können Sie meiner Meinung nach sehen, wohin dies führt: Ja, die CG bewegt sich noch weiter nach hinten:

Der typische Schwerpunkt für Tandemflügel liegt vollständig außerhalb der vorderen Flügel und sitzt zwischen den vorderen und hinteren Flügeln. Denken Sie daran, dass alle bisherigen Planformen einschließlich dieser so berechnet wurden, dass sie genau denselben statischen Spielraum haben - sie sind alle ähnlich stabil.

Alle Tandemflugzeuge haben sowohl vordere als auch hintere Flugflächen, die zum Heben konfiguriert sind.

Tandems sind in bemannten Flugzeugen weniger selten als die obige Fast-Tandem-Konfiguration. Am bekanntesten ist wohl der schöne Rutan Quickie:

Während wir mit der Änderung der Beziehung zwischen den vorderen und hinteren Flugflächen fortfahren, werden wir schließlich mit der Canard-Konfiguration enden:

Canards haben offensichtlich eine anhebende hintere Flugfläche. So sehr, dass die Leute sie instinktiv als "Flügel" bezeichnen. Und der Schwerpunkt bewegt sich noch weiter nach hinten (in Bezug auf die vordere Flugfläche ist er offensichtlich vor den "Flügeln").

TL;DR

Wie Sie sehen können, ist es nicht einfach eine Entscheidung, die Sie treffen, ob Ihr Heck abhebt oder Abtrieb erzeugt. In einigen Fällen werden Sie gezwungen sein, Ihren Schwanz zu heben. In einigen Fällen hängt dies von Ihrem aktuellen Manöver ab. Es hängt alles vom Design Ihres Flugzeugs ab.

Randbemerkung: Warum haben die meisten Flugzeuge (relativ) winzige Stabilisatoren?

Es gibt zwei Hauptgründe, warum sich die meisten Designer dafür entschieden haben, den Schwanz klein zu machen:

Erstens ist es, das Gewicht im Heck zu reduzieren. Je größer das Heck, desto schwieriger ist es, die richtige Gewichtsverteilung für den richtigen Schwerpunkt zu finden. Beachten Sie jedoch, dass dies hauptsächlich darauf zurückzuführen ist, dass die meisten Designer konventionelle Weisheit verwenden, denn wie wir oben sehen, wenn Sie das Heck groß genug machen, können Sie Ihren CG für genau die gleiche Stabilität weiter nach hinten verschieben.

Aber das führt uns zum zweiten Grund: um den Luftwiderstand zu reduzieren. Je größer das Heck, desto mehr Luftwiderstand erzeugt es. Tandems sind das Worst-Case-Szenario, bei dem sowohl die Flügel als auch das "Heck" die gleiche Menge an induziertem Widerstand erzeugen. Mehrere Designer wie Burt Rutan haben sich jedoch die Eigenschaften von Tandemflügelflugzeugen zunutze gemacht, um sehr effiziente Designs zu erstellen.

Wenn ich gut steigen und gleiten wollte, habe ich nach hinten CG und ein anhebendes Heck verwendet ...

Das geht alles super, bis Sie ins Stocken geraten und sich erholen müssen. Modelle haben im Allgemeinen ein viel höheres Verhältnis von Schub zu Gewicht als Freizeitflugzeuge in Originalgröße, die im Allgemeinen 1:4 betragen.

Bei einem Schwerpunkt nach hinten neigt das Heck dazu, nach unten zu "sacken", wenn die Geschwindigkeit abnimmt, was zu einem höheren Anstellwinkel führt und ein gerades, samtartiges Gleiten bis zum Strömungsabriss erzeugt. Sie wollen definitiv nicht diese volle Skala.

Hecklastige Modelle benötigen weniger Trimmung bei Geschwindigkeitsänderung, aber mangelnde "statische Stabilität" ist im langsamen Flug gefährlich. Überschüssige Leistung deckt bei Modellen eine "Vielzahl von Sünden" ab, da das Hinzufügen von Gas die Fluggeschwindigkeit fast augenblicklich erhöhen kann, während bei Vollausschlag wertvolle Sekunden vergehen können, in denen mehr Gewicht mit proportional weniger Schub beschleunigt werden muss.

Es ist die Kraft, die den Aufstieg ermöglicht, nicht das "Heben des Hecks". Sie wollen einfach keinen mit übermäßiger Abwärtskraft, was nicht nur das Ergebnis eines übermäßig nach vorne gerichteten Schwerpunkts, sondern auch eines übermäßigen Abwärtsschubwinkels einer an der Nase montierten Stütze sein kann.

Wenn Sie "wieder auf die Beine kommen" wollen, warum fliegen Sie nicht mit einem Instruktor in einem sicheren und bewährten Design wie einer Cessna 172? Sie haben die gesamte Theorie fertig herausgefunden und hinterlassen Ihnen ein sicheres und unterhaltsames Flugzeug zum Fliegen.

Bei einem herkömmlichen (Abtriebs-)Heck würde ein Schwerpunkt vor dem Druckzentrum dazu führen, dass die Nase bei abnehmender Fluggeschwindigkeit abfällt. Je geringer die Fluggeschwindigkeit, desto geringer der Abtrieb. Diese Neigung mit der Nase nach unten würde die Fluggeschwindigkeit erhöhen, bis eine Stasis erreicht ist. Das System wäre statisch stabil und würde die Arbeitsbelastung des Piloten verringern.

Wenn Sie den Schwerpunkt für ein angehobenes Heck weiter nach hinten bewegen, würde dies bei abnehmender Geschwindigkeit dazu führen, dass sich die Nase nach oben neigt. Je geringer die Fluggeschwindigkeit, desto geringer der Auftrieb. Diese Neigung nach oben würde dazu führen, dass die Fluggeschwindigkeit weiter abnimmt, was zu einer stärkeren Neigung nach oben führen würde. Das System wäre statisch instabil, was die Arbeitsbelastung des Piloten erhöht.

Sie könnten den Schwerpunkt ungefähr an der gleichen Stelle wie das Druckzentrum platzieren. Sie können das System sogar so ausbalancieren, dass Hubkraft und Drehmoment gleich groß sind, wobei der Schwerpunkt zwischen den beiden Hubflächen liegt. Unglücklicherweise würde das Vorhandensein von zwei Auftriebsflächen unterschiedlicher Größe und Gestaltung unterschiedliche Proportionen der gesamten Auftriebskraft erzeugen, wenn sich die Luftgeschwindigkeit ändert.

Darüber hinaus würde ein Schwerpunkt, der näher am Seiten- und Höhenruder (insbesondere am Seitenruder) liegt, die Erholung aus einem Strömungsabriss und/oder Trudeln erschweren. Der Momentenarm der Korrekturkraft wäre geringer.

Wenn Sie eine niedrige Sinkrate wünschen, stellen Sie sicher, dass der induzierte Widerstand gering ist. Dies lässt sich am besten durch einen breiten Flügel mit kleiner Leitwerksfläche erreichen . Die gleichmäßige Verteilung der Flügelfläche zwischen zwei Flügeln führt dazu, dass ein großer Flügel im Abwind eines anderen großen Flügels fliegt und insgesamt einen höheren induzierten Widerstand aufweist.

Mit nur 25 Fuß Spannweite und einer Gesamtmasse zwischen 120 und 150 kg beträgt Ihre Spannweitenbelastung 18 kg/m (12 lbs/ft). Das ist für schwache Thermik deutlich zu hoch, also braucht man mehr Spannweite zum Segelfliegen. Das Seitenverhältnis ist nicht alles - Ihr induzierter Luftwiderstand wird von der Spannweitenbelastung dominiert, also halten Sie das niedrig.

Einen Nurflügler als erstes Design zu wählen ist sehr ehrgeizig – eine anständige Leitwerksfläche macht die Dinge viel einfacher. Halten Sie die Belastung dieser Leitwerksfläche niedrig, damit Sie genügend Spielraum zum Manövrieren haben. Ja, eine weiter vorne liegende Schwerpunktlage (= mehr Heckabtrieb) ergibt einen besseren Spinwiderstand, aber durch die Auswahl eines Flügelspitzenprofils mit gutem Post-Stall-Verhalten können Sie den gleichen Vorteil mit insgesamt besserer Leistung erzielen.