Warum verwenden Verkehrsflugzeuge keine vollständig beweglichen Heckflächen wie mein RC-Flugzeug? [Duplikat]

Was für kleine Modelle besser und einfacher ist, ist nicht unbedingt besser für größere Flugzeuge.

Erstens kann man nicht sagen, dass der feste Teil "nichts tut". Der Schwanz ist in erster Linie ein Stabilisator; ohne sie fliegt ein normales Flugzeug überhaupt nicht. Nur dann ist es eine Steuerfläche, die es ermöglicht, gut und so zu fliegen, wie Sie es wollen.

Folglich wird die Größe des Hecks hauptsächlich von Stabilitätserwägungen bestimmt. Zur Kontrolle braucht man davon eine gewisse Menge und nicht zu viel mehr. Wenn Sie einen sich vollständig bewegenden Schwanz haben, werden Sie möglicherweise feststellen, dass Sie ihn nur sehr leicht bewegen müssen, da sonst die Steuerung zu empfindlich wird. Dies ist nicht unbedingt einfacher zu bewerkstelligen.

Aus gestalterischer Sicht erfordert das vollständig bewegliche Leitwerk, dass der gesamte Stabilisator an einer einzigen Welle befestigt wurde. Auf einem kleinen RC-Flugzeug können Sie es sich leisten, es aus einem einfachen Draht zu machen. Bei einem großen Flugzeug bedeutet dies etwas Größeres als die Wasserversorgungsleitung Ihres Vororts: Stabilisatoren von Flugzeugen wie A380 oder An-124 sind größer als die Flügel einiger Verkehrsflugzeuge. Abgesehen von dem Skalierungsproblem macht dies es zu einem Single Point of Failure, was es noch schwieriger macht, zuverlässig zu sein.

Ein weiteres Designproblem ist eine schöne aerodynamische Kopplung zwischen dem beweglichen Heck und dem Rumpf. Oft müssen Designer so etwas erfinden (A330):

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Insgesamt ist es normalerweise einfacher und leichter , ein herkömmliches Leitwerk herzustellen und daran ein Höhenruder (und Seitenruder) anzubringen.

Nichtsdestotrotz haben ziemlich viele Flugzeuge ein all-moving Stabilisator. Dafür gibt es verschiedene Gründe.

1. Zur Anpassung an einen großen Bereich von Schwerpunktlagen (CG), dh Lastverteilung, und/oder unterschiedliche aerodynamische Konfigurationen (z. B. Landeklappen). Dies erfordert ein hohes Maß an Kontrolle. Aber diese Steuerung ist typischerweise „langsam“: Die Last oder Konfiguration ändert sich nicht in Sekundenbruchteilen. Das Heck wird also zwischen dem langsamen, sich vollständig bewegenden Teil, der die sogenannte Trimmung bereitstellt , und dem schnellen konventionellen Höhenruder aufgeteilt. Die meisten Flugzeuge haben eine solche Anordnung, wie der A330 aus dem obigen Bild. Aber die größten, die An-124 und -225, verwenden es nicht: zu hart. Sie verlassen sich ganz auf den Aufzug.

   Selten ist das Seitenleitwerk so gefragt: Flugzeuge sind mehr oder weniger symmetrisch aufgebaut, so selten findet man ein allumfassendes Seitenleitwerk wie dieses.

2. Zur Erleichterung des Lastausgleichs bei kleinen Flugzeugen mit umkehrbarer Steuerung, dh solchen, bei denen die Steuerflächen durch die Muskelkraft des Piloten bewegt werden. Wenn Sie einen Aufzug mit normalen Scharnieren bauen, kann es ziemlich schwierig sein, ihn mit hoher Geschwindigkeit zu bewegen. Verschiedene Tricks werden verwendet, um die Kraft angenehm zu machen (die „genau richtig“ sein sollte, nicht zu viel, nicht zu wenig). Aber eine der einfachen Lösungen besteht darin, den gesamten Schwanz um eine sorgfältig ausgewählte Achse bewegen zu lassen. Für kleinere GA-Flugzeuge ist das Skalierungsproblem noch nicht allzu schlimm, daher verwenden viele Designs diesen Ansatz, zum Beispiel Piper PA28

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   (Das, was Sie an der Hinterkante sehen, ist kein herkömmliches Höhenruder, es ist die Anti-Servo-Lasche, die die „genau richtige“ Kraft liefert).

3. Normale Effizienz der Aufzugssteuerung. Manchmal brauchen Flugzeuge einfach mehr Kontrolle, als das normal große Heck bieten kann. Dies gilt vor allem für wendige Überschallflugzeuge. Dafür gibt es mehrere Gründe:

   • Agiles Manövrieren erfordert offensichtlich mehr Kontrolle;
   • Bei Überschallgeschwindigkeit steigt die Nickstabilität (und damit der Steueraufwand) erheblich an;
   • Aufzugseffizienz sinkt. Die Sache ist, dass das normale Höhenruder bei Unterschallgeschwindigkeit den Luftstrom so über das Heck verteilt, dass mehr Luft betroffen ist, als nur der Bereich des Höhenruders annimmt. Die Beziehung ist$\sqrt \frac{S_{elevator}}{S_{tail}}$Wenn Sie also einen Aufzug haben, der die Hälfte des Hecks einnimmt, wird seine Effizienz nicht gerecht sein$0.5$, sondern$\sqrt 0.5 \approx 0.7$im Vergleich zum allbeweglichen Stabilisator, der im gleichen Winkel ausgelenkt ist. Bei Überschallgeschwindigkeit gilt dies jedoch nicht, und die Beziehung ist nur linear. All-Moving-Flächen machen also mehr Sinn. Gelegentlich finden Sie sogar ein sich vollständig bewegendes vertikales Leitwerk, wie bei Tu-160 (beachten Sie, dass es auch ein sich vollständig bewegendes horizontales Leitwerk hat):

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Für ein kleines RC-Flugzeug, das mit langsamer Geschwindigkeit fliegt, würde Ihr Design großartig funktionieren. Diese Art von Konstruktionen hat jedoch strukturelle Beschränkungen. Bei einem vollständig beweglichen vertikalen und horizontalen Stabilisatoraufbau würden alle auf die Steuerflächen ausgeübten Kräfte auf ein bewegliches Lager übertragen werden. Dies wäre ein Single Point of Failure, wenn das Lager ausfallen würde. Normalerweise würde der vertikale Stabilisator oder der horizontale Stabilisator mehrere Schrauben verwenden, um ihn an der Flugzeugzelle zu befestigen. Bei manchen Flugzeugen sind diese Steuerflächen angeschweißt. Dadurch werden die Spannungen gleichmäßiger verteilt. Ich fliege eine Piper Cherokee mit einem vollständig beweglichen horizontalen Stabilisator (Stabilisator), und eine unserer Vorabprüfungen besteht darin, sicherzustellen, dass das Lager nicht nachgibt. Wenn das Lager ausfallen würde, hätten wir einen schlechten Tag.

Nun, das tun sie bis zu einem gewissen Grad.

Große Verkehrsflugzeuge haben erheblich größere CG-Bereiche als ihre kleineren Gegenstücke, um einen breiten Bereich von Belastungen sowie Verschiebungen des Cp aufgrund von Kompressibilitätseffekten bei hohen Machzahlen und Änderungen der AoA aufzunehmen. Um dies zu berücksichtigen, verwenden die meisten Verkehrsflugzeuge ein vollständig bewegliches Höhenleitwerk für die Pitch-Trimmung, daher wird eine zusätzliche Höhenruder-Steuerfläche für die Pitch-Autorität durch den Piloten hinzugefügt. Dies bietet einen Kompromiss zwischen ausgezeichneter Steigung und minimalem Luftwiderstand und Gewicht im Gegensatz zur Betätigung des gesamten Höhenleitwerks. Nun wurden bereits voll bewegliche Höhenleitwerke zur Nicksteuerung implementiert, wie Ron Beyer im L-1011 betont. Aber es ist nicht sehr verbreitet.

Die festen Heckflächen sollen einen passiven Wetterfahneneffekt für die Stabilität bereitstellen. Wenn Sie ein allfliegendes Heck haben, neigt es dazu, nur in den Luftstrom zu schleppen, also brauchen Sie eines von zwei Dingen; hydraulische Steuerung, bei der die Steuerfläche durch Stellglieder starr positioniert ist und das Steuergefühl durch Federn erfolgt (die F-86 hatte ein vollständig fliegendes, hydraulisch betriebenes horizontales Leitwerk), oder wenn sie nicht hydraulisch ist, benötigt die Oberfläche eine Anti-Servo-Lasche (wie die C-177 und fast jeder kabelbetriebene Stabilisatorschwanz da draußen), um eine geschwindigkeitsabhängige Rückstellkraft bereitzustellen, die die Oberfläche in eine bestimmte Position bringt, in der sie mit der Hand gehalten wird, und um einen wünschenswerten Stick-Force-Gradient bereitzustellen (zunehmende Kraft mit Verschiebung von der Trimmgeschwindigkeit). ). Die Anti-Servo-Registerkarte bietet auch die Pitch-Trimm-Funktion, indem sie ihren neutralen Punkt ändert, wenn Sie die Trimmung anpassen.

Es gibt einige Segelflugzeuge, die alle fliegenden Hecks ohne Servolaschen haben, und diese hängen von einer Bungee-Feder im Steuerkreis des Höhenruders ab, um ihre gesamte Nickstabilität ohne Stöcke zu gewährleisten. Ich flog früher ein Segelflugzeug namens LS-1, das so war, und das Bungee war nicht besonders steif, und das Flugzeug hatte eine abweichende Neigung, wenn ich den Steuerknüppel losließ, aber es war in Ordnung, wenn ich es hielt.

Und Flugzeuge wie die Cardinal oder Cherokee mit einem manuell betätigten Leitwerk wären ohne die Anti-Servo-Lasche ziemlich schwer zu kontrollieren. Die Steuerstange des Tabs ist ein sehr kritischer Inspektionsgegenstand bei einem Vorflug. Der Hauptvorteil von fliegenden Leitwerken ist eine größere Kontrollautorität für einen bestimmten Oberflächenbereich (der Cardinal hat eine MASSIVE Heckkraft im Vergleich zu ähnlichen Flugzeugen) und die Möglichkeit, den Gradienten des Nickgefühls durch die Ausrichtung des Anti-Servo-Tabs fein abzustimmen.

Ihr RC-Flugzeug kommt ohne Anti-Servo-Tab davon, da die elektrischen Servos die Oberfläche an einer bestimmten Position halten. Im Grunde das gleiche wie hydraulische Steuerungen.

Die selbstgebaute Zenith-Familie verwendet ein All-Flying-Ruder ohne feste Seitenflosse. Dies würde normalerweise ohne eine feste Flosse nicht so gut funktionieren, um eine passive Wetterfahnenkraft bereitzustellen, aber der Zenith kommt damit durch, indem er eine sehr große vertikale Rumpffläche hinter den Flügeln hat. Andernfalls müsste es in Ermangelung einer vertikalen Flosse eine Anti-Servo-Registerkarte für das Seitenruder haben.

Es kommt hauptsächlich darauf an, das Bewegen der gesamten Steuerfläche zu erzwingen, was einen massiv verstärkten Verbindungspunkt erfordern würde, der von den Hauptbedürfnissen eines Verkehrsflugzeugs ablenken würde, das Fracht transportiert, seien es Personen oder Dinge. Militärflugzeuge nutzen es für den massiven Gewinn an Manövrierfähigkeit, aber die meisten Passagiere sind möglicherweise etwas verzweifelt, wenn ihre 737 plötzlich auf dem Heck des Piloten steht.