Warum würde ein Flugzeug nach einer Steilkurve unkontrolliert schnell absinken?

Markus Voelter hat Matt Hall für eine Folge seines Omega-Tau-Podcasts interviewt . Sie besprechen diesen Vorfall bei 1:13:00 ausführlicher.

Das Flugzeug erlebte einen Hochgeschwindigkeits-G-Stall, der auch als beschleunigter Stall bezeichnet wird . Der Strömungsabriss wird durch den Anstellwinkel bestimmt, der der Winkel ist, in dem der Luftstrom auf den Flügel trifft. Stall wird am häufigsten bei niedriger Geschwindigkeit in Betracht gezogen, da das Flugzeug, wenn es langsamer wird, einen höheren Anstellwinkel benötigt, um genügend Auftrieb zu bieten, bis es den Stall-Anstellwinkel erreicht und abreißt. Dies kann jedoch auch bei hohen Geschwindigkeiten in einem Flugzeug passieren, das eine Kurve mit hohem g ausführt. Es ist ein viel höherer Auftrieb erforderlich, um das Flugzeug zum Wenden zu bringen, was bedeutet, dass ein viel höherer Anstellwinkel erforderlich ist. Der Versuch, das Flugzeug zu eng zu drehen, kann den Anstellwinkel zu stark vergrößern und das Flugzeug bei hoher Geschwindigkeit abwürgen.

Der andere Faktor ist, dass das Flugzeug aufgrund des Drehmoments des Motors und des P-Faktors des Propellers dazu neigt, nach links zu rollen . Da sich das Flugzeug bereits in einer Linkskurve befand, führte dies zusammen mit dem Strömungsabriss dazu, dass das Flugzeug über 90 Grad hinausrollte und auf das Wasser zusteuerte.

Ein weiterer erschwerender Faktor war die Stabilität des Flugzeugs, die bei 1:31:00 besprochen wird. Der Schwerpunkt war ziemlich achtern, was das Flugzeug weniger stabil machte . Die Aufzüge waren auch überausbalanciert, was bedeutete, dass sie dazu neigten, das Flugzeug noch weiter nach oben zu bringen, wenn das Flugzeug mehr g zog. Diese Änderungen hatten dazu beigetragen, das Flugzeug etwas schneller zu machen, wurden aber nach dem Vorfall korrigiert, um es sicherer zu machen.

Auf der Seite der menschlichen Faktoren erwähnt Matt auch, dass er zu dieser Zeit eine Erkältung hatte und die Entscheidung traf, direkt vor seinem Flug einen Anruf entgegenzunehmen, was bedeutet, dass er abgelenkt und nicht in Bestform war.

An anderer Stelle im Interview erwähnt er, dass er bei Flugshows konservativer in seiner Sicherheitsmarge ist als andere Piloten.

Du brauchst das Geld nicht, wenn du tot bist. Es ist also nur eine Show.

Ich habe das Video nicht gesehen, aber denken Sie daran, dass der Auftrieb in erster Näherung senkrecht zum Tragflächenprofil ist .

Im normalen Horizontalflug oder in der Nähe davon führt dies dazu, dass der Auftriebsvektor eine signifikante vertikale Aufwärtskomponente hat, die die auf das Flugzeuggewicht nach unten wirkende Schwerkraft gut ausgleicht.

Wenn jedoch das Schaufelblatt (in diesem Fall die Flügel) vollständig vertikal ist, wird der von diesem Schaufelblatt erzeugte Auftrieb vollständig horizontal. Die Flügel kümmern sich nicht um ihren Winkel zum Boden; nur über die Bewegung durch die Umgebungsluft.

Die Schwerkraft übt jedoch immer noch dieselbe vertikale Kraft nach unten aus.

Der Horizontalflug (in jeder Lage) erfordert, dass der Auftriebsvektor eine vertikale Komponente nach oben hat und dass diese Komponente dieselbe ist wie die vertikale Schwerkraft nach unten. Wenn die beiden ungleich sind, wird das Flugzeug steigen oder in diesem Fall sinken.

Wenn die Schwerkraft das Flugzeug immer noch nach unten zieht und der Auftrieb horizontal (seitlich) wirkt, bleibt nichts übrig, um die Höhe des Flugzeugs aufrechtzuerhalten, und das Flugzeug wird den sprichwörtlichen Tropfen vom Himmel machen. Um sich zu erholen, sollten Sie hoffen, dass Sie das Flugzeug zumindest etwas ausrichten können, um ein wenig vertikalen Auftrieb aus den Flügeln zu bekommen.

Auch deshalb verlieren wir an Höhe, wenn wir in einer Kurve keinen zusätzlichen Auftrieb geben; Der Auftriebsvektor hat eine kleinere vertikale Komponente (obwohl der Absolutwert des Auftriebsvektors unverändert bleibt), aber die Schwerkraft lässt nicht nach, sodass die Schwerkraft gewinnt, bis wir ein Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Auftrieb wiederherstellen, typischerweise durch leichtes Anheben der Nase.

Das läuft darauf hinaus, dass Flügel im Allgemeinen einen Auftrieb erzeugen, egal in welche Richtung die Oberseite zeigt.

Im normalen Flug ist die meiste Kraft, die das Flugzeug hochhält, der Auftrieb von den Flügeln. Wenn ein Flugzeug waagerecht ausgerichtet ist, wird die gesamte Auftriebskraft der Flügel direkt nach oben gerichtet, sodass das Flugzeug die Höhe halten kann. Selbst in einer gewöhnlichen (nicht akrobatischen) Steilkurve zeigen die Oberseiten der Flügel immer noch größtenteils nach oben, sodass der Pilot die Höhe halten kann, indem er einfach den Anstellwinkel etwas erhöht.

In diesem Video war die Kurve, die der Pilot machte, keine gewöhnliche Steilkurve. Es sieht so aus, als hätte er das Flugzeug um etwa 90 Grad geneigt. Bei einem Querneigungswinkel von 90 Grad zeigt der gesamte Auftrieb von den Flügeln zur Seite (in die Kurve) und nichts davon hält das Flugzeug hoch. Wenn es also nicht etwas anderes gibt, das das Flugzeug hält, wird dieses Flugzeug anfangen zu fallen.

Es gibt zwei Möglichkeiten, um in einer extremen Steilkurve nicht zu stürzen. Eine besteht darin, die Wendung kurz zu halten, damit Sie nicht sehr oft hinfallen . Die andere besteht darin, mit Schub und Rumpfauftrieb oben zu bleiben, wie in den Antworten auf diese Frage beschrieben: Kann man ein Flugzeug mit einem Rollwinkel von 90° fliegen, ohne an Höhe zu verlieren?

Was er tut, wird als "G-Stall" bezeichnet. Im Grunde hat er das Flugzeug in eine härtere Kurve gezogen (was er ungefähr bei 0:57 im Video beschreibt). Was das tat, war die Erhöhung der Zentripetalkraft auf das Flugzeug (Maßnahmen in Bezug auf die Erdgravitation oder "Gs"). Dieser akrobatische Pilot beschreibt die Wirkung

Die Strömungsabrissgeschwindigkeit eines Flugzeugs steigt mit zunehmender Flächenbelastung. Um genau zu sein, steigt die Stallgeschwindigkeit mit der Quadratwurzel der Belastung. Wenn also ein Flugzeug bei beispielsweise 60 Meilen pro Stunde im 1G-Niveauflug in einer bestimmten Konfiguration stehen bleibt, bleibt es bei 120 Meilen pro Stunde bei 4G, 180 Meilen pro Stunde bei 9G usw. (Dies ist ein Grund warum "Stallgeschwindigkeit" ein irreführender Begriff sein kann - ein Flügel bleibt bei einem bestimmten Anstellwinkel stehen.)

Dies wird manchmal auch als beschleunigter Strömungsabriss bezeichnet, was bei dieser Art von Veranstaltungen aufgrund der schnellen Eingaben und Belastungen, denen die Piloten das Flugzeug aussetzen, recht häufig vorkommen kann

Beschleunigte Strömungsabrisse werden oft durch abrupte oder übermäßige Steuereingaben bei steilen Kurven oder Klimmzügen verursacht. Wenn Sie sich in einem Tauchgang befinden und mit genug Plötzlichkeit und Kraft zurückziehen, um das Flugzeug auf einen typischen Auslegungslastfaktor von 3,8 G zu beladen, treten Sie in einen beschleunigten Stall ein, wenn die Fluggeschwindigkeit unter das 1,95-fache der Stallgeschwindigkeit bei 1 G Belastung fällt (die Quadratwurzel von 3,8 ist ungefähr 1,95).

Es beschreibt dann den Absturz von Flug 105 der Midwest Express Airlines , was die folgende Illustration bietet ( Quelle )

Was passierte, war ein beschleunigter Stall „Snap Roll“, den Matt Hall nach 50 Sekunden im Video erklärt, er „g stalled“ das Flugzeug, „was mich leicht an der Messerschneide vorbeirollte“, so dass das Flugzeug buchstäblich leicht auf dem Kopf stand und nach unten drehte in Richtung Wasser, anstatt zu fallen.

Ein beschleunigter Stall-Snap-Roll tritt in Kurven mit hohem g auf, wenn ein Flügel vor oder häufiger als der andere einen Hochgeschwindigkeits-Stall erfährt. Das Flugzeug rollt auf den blockierten Flügel zu und vergrößert seinen Anstellwinkel noch weiter, während der Anstellwinkel am anderen Flügel verringert wird, was die Situation verschlimmert. Beachten Sie, dass eine beschleunigte Stall-Schnapprolle nur ein übermäßiges Höhenruder bei hoher Geschwindigkeit erfordert, es sind keine Querruder- oder Seitenrudereingaben erforderlich.

In diesem Fall löste der Pilot schnell die Höhenrudereingabe, was den Strömungsabriss stoppte und es den Querrudern ermöglichte, zu funktionieren, um sich von der Schnapprolle zu erholen.

Dies war etwas unglücklich, da die Schnapprolle in die andere Richtung hätte rollen können, sodass sich das Flugzeug nach oben vom Wasser weggedreht hätte, anstatt nach unten ins Wasser. Es ist ziemlich genau eine Chance von 50% - 50%, in welche Richtung ein Flugzeug bei einer schnellen Rolle rollt, es sei denn, Querruder werden verwendet, um die Rolle einzuleiten, bevor übermäßiges Höhenruder angewendet wird.

Echte Nur-Höhenruder-Schnapprollen werden bei Kunstflugmodellen entweder absichtlich als Kunstflugmanöver oder unbeabsichtigt im Fall von Modellpylonrennen durchgeführt, was der gleiche Umstand wie bei Matts Vorfall ist (ohne das Leben des Modellpiloten zu gefährden). Ich habe dies sogar bei einem kleinen funkgesteuerten Segelflugzeug in einem vertikalen Tauchgang gemacht (erforderlich, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, da der Luftwiderstand bei einer Schnapprolle hoch ist). Ziehen Sie die Höhenrudersteuerung des Senders zu weit nach hinten und das Segelflugzeug rollt nur, ohne einen Hinweis auf eine Aufwärtsneigung. Aus dem Höhenruder nachgelassen und das Modell erholte sich von der Schnapprolle und reagierte auf nicht übermäßige Höhenrudereingaben auf normale Weise.