Warum werden die Ruder der F/A-18 beim Start in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt?

Lebender Flügel

Die Super Hornet hat einen lebenden Flügel, das heißt, die Form des Flügels ist in jedem Flugregime ständig in Bewegung. Hinterkantenklappen, Vorderkantenklappen, Leitwerke, Seitenruder und Querruder bewegen sich alle gemeinsam, um dem Piloten in bestimmten Flugphasen die größtmögliche Kontrolle zu geben.

Dies wird durch die Verwendung des Klappenschalters deutlich. Die drei Klappenpositionen sind Auto (Oben), Halb und Voll. Up Auto bedeutet, dass das Flugsteuerungssystem (FCS) den Flügel dynamisch ändert, basierend auf dem, was der Pilot seiner Meinung nach zu tun versucht. Wenn der Klappenschalter jedoch in die halbe und volle Position gebracht wird, schaltet das FCS in den Landemodus und alle Eingaben der Flugsteuerung werden als solche interpretiert. Obwohl der Klappenschalter auf halb/voll gestellt wurde, hat der Pilot nur die FCS-Logik geändert, er hat die Klappen nicht wirklich in eine feste Position befohlen. Es gibt keine festen Verstärkungen (Klappenstellungen) wie bei typischen Verkehrsflugzeugen. Stattdessen passt der Computer die Klappenposition an, um eine halbe/volle Klappenposition nachzuahmen, während er dem Piloten gleichzeitig die stabilste Plattform für die Landung bietet. Die Logik hat jedoch ihre Grenzen, und wenn der Pilot im Landemodus (halbe oder volle Klappen) 14 AoA überschreitet, kann das FCS den Jet versehentlich verlassen. Das ist offensichtlich schlecht 200 Fuß über dem Boden. Dieser Schalter befiehlt dem FCS, Flugsteuerungsentscheidungen zu treffen, und ist das Umschalten zwischen dem taktischen und dem Landeflugmodus.

Ruder Vorspur

Der spezielle Effekt, auf den Sie sich beziehen, wird als Rudervorspur bezeichnet. Bei langsameren Geschwindigkeiten, insbesondere bei hohen Anstellwinkeln, bieten die Stabilisatoren möglicherweise keine ausreichende Nasenautorität, um die Nase scharf zu drehen. Die massive Flügelfläche des Nashorns neigt dazu, den Luftstrom über die Stiche zu blockieren. Um dieses Problem zu beheben, werden die Ruder des Rhino automatisch nach innen vorgespannt und eine nach unten gerichtete Kraft erzeugen, die die Nase nach oben neigt. Während das Seitenruder nach innen gerichtet ist, kann der Pilot die Seitenruder immer noch verwenden, um das Flugzeug zu gieren. Das FCS bewegt selektiv die Ruderposition, um die Gierbewegung zu erzeugen, sogar während es die eingefahrene Position beibehält.

Start und Landung

Während des Starts bleibt das Ruder für feste 10 Sekunden in der Vorspurposition, nachdem es das Gewicht von den Rädern erkannt hat. Dies verhindert, dass das Flugzeug während einer der kritischsten Flugphasen versehentlich die Ruder ausschlägt (und die Autorität der Nase verliert). Während des Landeabschnitts des Flugs werden die Ruder ebenfalls eingefahren, um dem Flugzeug mehr Nasenautorität zu geben, und dies wird automatisch vom FCS gehandhabt, sobald der Pilot das Flugzeug in den Landemodus befiehlt, indem er die Landeklappen aus der automatischen Position schaltet.

Andere Funktionen

Während das Rhino über kleine Geschwindigkeitsbremsen verfügt, die sich bei voller Geschwindigkeitsbremsung ausfahren, ist die primäre Methode zur Erhöhung des Luftwiderstands, um das Flugzeug schnell zu verlangsamen, die Verwendung der Steuerflächen. Das FCS erhöht den Luftwiderstand, indem es die Landeklappen senkt, die Ruder nach innen drückt, die Querruder senkt und die Querruder ablenkt, während es dem Piloten immer noch eine stabile Plattform zum Fliegen des Flugzeugs bietet – es ist ein beeindruckendes Flugzeug.

Während des Manövrierens mit hohem Alpha lenkt das Rhino die Ruder erneut in die nach innen gerichtete Position, während der Klappenschalter auf „Up Auto“ steht. Wenn die FCS-Logik auf Auto eingestellt ist, versuchen die Computer, die Kontrolle über das Flugzeug während Manövern mit maximaler Leistung zu behalten, und planen automatisch die Klappen und Ruder, um hohe AoA und langsamen Flug zu kompensieren. Da die Nase hochgezogen ist und der Luftstrom über den Leitwerken unterbrochen wird, erzeugen die Ruder erneut diese Nickkraft, die dem Piloten dabei hilft, die Autorität der Nase in jedem Flugregime aufrechtzuerhalten.

Notfälle

Wie bereits erwähnt, kann es vorkommen, dass die Ruder plötzlich ausschlagen, was verheerende Auswirkungen während des letzten Teils der Landung haben kann. Ruderausfälle sind ernsthafte Probleme und sollten als solche behandelt werden. Höhere Landegeschwindigkeiten und besondere Vorsicht werden verwendet, und der Pilot sollte verstehen, dass Wave-Offs aufgrund mangelnder Nase in der Nähe der Rampe unmöglich sein können.

Die Ruder werden beim Start der F/A-18E nach innen ausgelenkt, um beim Anheben der Nase des Flugzeugs beim Verlassen des Schiffes zu helfen. Da die vertikalen Flossen nach außen geneigt sind, erzeugt das Auslenken beider Ruder nach innen einen Abtrieb, der aufgrund seiner Position hinter dem Schwerpunkt ein Nickmoment erzeugt.

Diese Position der Ruder während des Starts ist allen F-18 gemeinsam, einschließlich der kanadischen CF-18, die nicht im Trägerbetrieb verwendet werden.

^{Quelle: mybirdie.ca}

Fast alle Flugzeuge mit geneigtem Heck ( F22 , F35 usw.) können (und tun) ihre Ruder zum Nicken zusammen mit Höhenrudern verwenden. Die Ruder werden auch während der Landung verwendet. Das Prinzip ist nicht viel anders und der FBW-Computer übernimmt normalerweise alle diese Bedienoberflächenoperationen.

^{Quelle: reddit.com}

Die Ruder werden auch als Luftbremsen verwendet. Die F18 hatte eine Bremsklappe, die bei F/A-18E/F entfernt wurde, und die Steuerflächen werden als Bremsklappen verwendet.

^{„ FA-18 Trap “ vom Original-Uploader war E2a2j bei en.wikipedia – Übertragen von en.wikipedia; von User:Mo7amedsalim mit CommonsHelper an Commons übertragen. Lizenziert unter Public Domain via Commons .}

Die Ruder befinden sich während des Starts/der Landung in dieser Position und sobald das Flugzeug im Reiseflug ist, werden sie mit dem Seitenleitwerk ausgerichtet, um den Luftwiderstand zu verringern. Sie können jedoch bei Bedarf zum Abbremsen des Flugzeugs im Flug verwendet werden. Auch hier ist es der Computer, der die Arbeit erledigt.

^{Quelle: www.f-16.net/forum/}

Der wahre Grund: Bodeneffekt wurde bei der Entwicklung nicht berücksichtigt.

Der Bodeneffekt reduziert die Steigung der Auftriebskurve von Auftriebsflächen, und die niedrige Leitwerksposition des F-18 macht diesen Effekt während des Starts sehr deutlich. Während der Entwicklung wurde dieser Effekt nicht berücksichtigt und folglich konnte sich die F-18 nicht mit der berechneten Geschwindigkeit drehen, als sie in die Flugerprobung ging. Dies erhöhte die Startstrecke und erforderte eine Erhöhung der Pitch-Up-Autorität bei niedriger Geschwindigkeit. Wie Jan Roskam in seinem Buch " Roskam's Airplane War Stories " (Kriegsgeschichte 108) erklärt:

Als das erste F-18-Jäger […] am Patuxent River flugerprobt wurde, stellte sich heraus, dass sich das Flugzeug nicht mit der vorhergesagten Geschwindigkeit drehen würde. Dies machte die Feldleistung des Flugzeugs unannehmbar. Das Problem wurde auf einen Fehler bei der Berechnung aerodynamischer Kräfte im Bodeneffekt zurückgeführt. Dies ist besonders schwerwiegend im Falle eines niedrig platzierten horizontalen Stabilisators. Infolgedessen gab es eine unzureichende Herunterladefähigkeit, um eine frühe Drehung während des Startbodenrollens zu bewirken.

Das Problem wurde durch Vorspuren der Ruder behoben. Ein Squat-Schalter am Hauptfahrwerk spannt die Ruder so vor, dass sie am Boden nach innen ausschlagen. Dies erzeugt genügend Überdruck über dem hinteren Rumpf, um eine frühe Drehung zu bewirken.

Diese Lösung war zwar beeindruckend, hatte aber ihren Preis. Die gesamte Flugsteuerungssoftware musste erneut validiert werden. Außerdem stellten die Squat-Switches eine zusätzliche Systemkomplexität dar.

Es gibt noch einen weiteren Grund: Bei feststehenden Rudern ist die F-18 bei Anstellwinkeln zwischen 7° und 11° längsinstabil (siehe linke Grafik unten). Durch Planen des Ausmaßes der Vorspur über dem Anstellwinkel (siehe mittleres Diagramm) kann das Flugzeug stabilisiert werden (siehe rechtes Diagramm unten). Die folgende Grafik ist aus dieser MIT-Präsentation kopiert und sollte den Trick gut erklären:

Beachten Sie, dass die Rudervorspur bereits in der ursprünglichen F-18A verwendet wird, nicht nur in den Super Hornets und ihren "lebenden Flügeln".

Es sind die Ruder, die wie ein Rudervator wirken, um beim Aufstellen zu helfen. Dies ist möglich, weil sie sich etwas nach außen neigen.