Was bedeutet es, wenn ein Flugzeug statisch stabil, aber dynamisch instabil ist?

Ich lese dieses Buch: "Flight Stability and Automatic Control", zweite Auflage, Dr. Robert C. Nelson. In Kapitel 2, Seite 42, schrieb der Autor:

Beachten Sie, dass das Fahrzeug statisch stabil, aber dynamisch instabil sein kann. Statische Stabilität garantiert daher keine dynamische Stabilität. Damit das Fahrzeug jedoch dynamisch stabil ist, muss es statisch stabil sein.

Ich verstehe statische Stabilität, bin mir aber nicht sicher, ob ich dynamische Stabilität verstehe. Kann mir jemand helfen, die obigen Texte zu verstehen und mir ein Beispiel für diesen Fall geben?

Antworten (4)

Statische Stabilität bedeutet, dass eine Abweichung von einem getrimmten Zustand Kräfte erzeugt, die das System in diesen getrimmten Zustand zurückversetzen.

Wenn diese Kräfte ein zeitlich zunehmendes Überschwingen erzeugen, so dass das System mit zunehmender Amplitude um diesen Trimmpunkt schwingt, ist das System dynamisch instabil. Die langperiodische Oszillation (Phygoid) von Segelflugzeugen ist oft instabil, weil ihr L/D hoch genug ist, um sie in ein instabiles Gebiet zu drängen.

Dynamische Stabilität bedeutet, dass die Schwingungen mit der Zeit abklingen. Ohne statische Stabilität würde das System den getrimmten Zustand einfach ohne Rückkehrtendenz verlassen. Diese Rückkehrtendenz ist die Voraussetzung für die Schwingung, egal ob stabil oder instabil.

+1 für den Hinweis auf L / D, ich habe mich oft gefragt, ob es beim Wolkenfliegen in einem Segelflugzeug, insbesondere ohne künstlichen Horizont, hilfreich wäre, das Fahrwerk abzusenken und möglicherweise auch die Spoiler etwas aufzubrechen? Vielleicht eine Art Block oder eine andere mechanische Hilfe herstellen, um die Spoiler leicht offen zu halten, ohne ständig die linke Hand des Piloten zu besetzen? (Im Moment nur eine theoretische Frage für mich, aber ich weiß, dass Wolkenfliegen in Segelflugzeugen in einigen anderen Teilen der Welt immer noch etwas Routine ist ...)
Das macht nur noch mehr Lärm, wenn Sie desorientiert werden und in einen Spiralsturz an Vne vorbei gehen, was garantiert ist, wenn Sie keine Kreiselinstrumente haben, und wahrscheinlich sogar, wenn Sie einen elektrischen Wendekoordinator haben. Wenn das Segelflugzeug eine Geschwindigkeitsbegrenzung hat Tauchbremsen / Spoiler, was bedeutet, dass das Flugzeug nicht in der Lage ist, Vne sogar gerade nach unten zu überschreiten, und die meisten modernen Segelflugzeuge tun dies. Am besten werfen Sie einfach volle Spoiler ab und lassen es los und warten, bis es aus dem Boden kommt. Wenn Sie versuchen, mit Spoilern in oder teilweise ausgefahrenen Spoilern für längere Zeit einen kontrollierten Flug in Wolken aufrechtzuerhalten, werden Sie in Stücken am Boden herauskommen.
Nun, ich weiß das alles nicht, das Fliegen mit Drehratenanzeige als einziges Kreiselinstrument ist seit vielen Jahrzehnten (wie seit den 1940er Jahren) in Segelflugzeugen in einigen Ländern in Europa und Großbritannien üblich.
@JohnK: Ich traf einen alten Piloten, der behauptete, er könne ohne Kreisel einen kontrollierten Flug in Wolken aufrechterhalten, erforderte aber extreme Konzentration. Ich würde es nicht testen wollen, aber ich kann sehen, wie es möglich sein könnte. Mathematisch integriert es sich über den Querneigungsindikator (auch bekannt als Wendekoordinationsindikator) und den Kompass.
@Joshua Sie müssen eine Art Referenz haben, um Ihren Augen zu sagen, dass Sie sich drehen, da das Innenohr für diesen Zweck unbrauchbar ist. Wenn Sie eine Rechtskurve halten, sagen wir für einen vollen Kreis, und die Cochlea-Flüssigkeit sich mit der Rotation stabilisiert, bekommen Sie beim Ausrollen ein intensives Gefühl, sich in die andere Richtung zu drehen, und fast alle Piloten beginnen unbewusst, in die Kurve zurückzurollen. Es ist angeblich möglich, den Kompass zu verwenden, um Ihnen mitzuteilen, dass Sie abbiegen, aber Sie müssten sehr gut darin sein, Abbiegefehler vorherzusehen und zu berücksichtigen, und wenn es irgendwelche Turbulenzen gäbe, wären Sie am Arsch.
@quietflyer Ich habe Probleme zu glauben, dass absichtlicher, anhaltender Flug in IMC eine akzeptierte Praxis in Europa oder anderswo ist, von der Piloten erwarten, dass sie umsichtig und vernünftig sind (Russland, wer weiß, lol). Ein Wendekreisel in einem Segelflugzeug ist aus dem gleichen Grund vorhanden, aus dem Sie möglicherweise einen in einem Puddle Jumper-Nur-Sichtflug-Flugzeug haben. um dich in einem Stück aus einer Wolke herauszuholen, wenn du irgendwie hineinstolperst, so schnell du kannst. Ein absichtlicher Dauerflug auf "Teilpanel" in Wolken, insbesondere in einem Flugzeug, das neutral in der Rolle ist wie ein Segelflugzeug, wäre verrückt.
@Joshua Ja, Wolkenfliegen ohne Kreisel ist möglich, aber nur in "toten" Wolken ohne viel Luftbewegung darin. Wenn Sie dies in einem aktiven Cumulonimbus versuchen, hat JohnK mit seinem Rat recht.
das beispiel für statische stabilität: "ein ball sitzt in einer grube" hat mir die ganze zeit meines lebens eine falsche vorstellung von statischer stabilität vermittelt. Ich dachte, statische Stabilität bedeutet, dass das System nach langer Zeit im Gleichgewichtszustand bleibt. Dieses Beispiel „ein Ball sitzt in einer Grube“ vermittelt auch die Vorstellung von dynamischer Stabilität, aber die Leute zeigen es immer, wenn sie über statische Stabilität sprechen wollen
@JohnK - nein, das Fliegen von Teilwolken in Segelflugzeugen ist in einigen Teilen der Welt, insbesondere in Europa und England, seit langem eine akzeptierte Praxis. Hier ist ein Schulungsdokument eines englischen Segelflugclubs -- dartmoorgliding.co.uk/Instrument_Flying_course_notes.pdf -- es wurde aktualisiert, um GPS zu erwähnen, aber auf den ersten 15 Seiten geht es nur darum, wie man das Segelflugzeug nur mit der Wendegeschwindigkeitsanzeige ASI steuert , und herkömmlicher Magnetkompass. Ich habe eine Bibliothek mit über einem Dutzend Büchern über das Segelfliegen aus den 60er und 70er Jahren angesammelt, und die meisten beziehen sich auf das Fliegen mit teilweisen Wolken.
@JohnK - das einzige, das ich gerade zur Hand habe, ist "New Soaring Pilot" von Ann und Lorne Welch und Frank Irving, 3. Auflage, 1977. Kapitel 10, S. 120-139, trägt den Titel "Instrument Flying" und ist vollständig über Wolkenfliegen. Auf S. 136 beginnt ein Satz: "Obwohl Blindfliegen auf einem Wendeanzeiger durchaus praktisch ist, wird es erleichtert, wenn das Segelflugzeug mit einem künstlichen Horizont ausgestattet ist ..." Alle vorhergehenden Seiten gehen davon aus, dass es keinen künstlichen gibt Horizont, und es gibt viele Hinweise auf das Fliegen in Kumuluswolken, nicht nur in glatten Bergwellenwolken.
@ JohnK - ein Freund des Geistes flog in den (60er? 70er?) Segelflugzeugen in Holland und anderswo in Europa und sammelte viele Stunden des Schwebens in Wolken ohne künstlichen Horizont. Ich kenne auch jemanden, der in den 70er Jahren, als der Boden des kontrollierten Luftraums höher gewesen sein mag, einen staatlichen Höhenrekord in einem Flachlandstaat im mittleren Westen der USA aufstellte, indem er in einer hoch aufragenden thermischen Wolke auf etwa 17.000 Fuß oder mehr aufstieg AGL. Wieder hatte er eine Wendegeschwindigkeitsanzeige, aber keinen künstlichen Horizont.
@JohnK - Erwähnenswert ist auch, dass das Wolkenfliegen früher im Segelflugzeugwettbewerb erlaubt war, aber irgendwann (vielleicht in den 50er oder 60er Jahren?) In den meisten Ländern bei Wettbewerben verboten wurde, und das ist inzwischen allgemein der Fall wie ich weiss. Ein offensichtlicher Grund ist die Kollisionsgefahr. Drehratenanzeiger (und alle anderen Kreiselinstrumente) sind in Segelflugzeugen während Wettbewerben in den meisten Ländern seit Jahrzehnten verboten, weil es offensichtlich ist, dass ein solches Instrument die Verletzung der Wettbewerbsregeln (und bei modernen Luftraumstrukturen die Verletzung von FARs usw.) erleichtern würde sich einen unfairen Vorteil verschaffen
Einiges Material in den obigen Kommentaren wäre wahrscheinlich eine nützliche Ergänzung zu einigen der verlinkten Antworten; Ich habe es für die zukünftige Verwendung in der Zwischenablage gespeichert--
@quietflyer Sie missbrauchen die Kommentarfunktion eindeutig für Dinge, für die sie nicht bestimmt ist. Warum stellst du nicht eine neue Frage und fügst all dieses Material der Antwort hinzu? Beachten Sie aber, dass auch bei Segelflugzeugen VFR-Wolkenabstände eingehalten werden müssen.
@PeterKampf - Bringt die Frage auf, was Sie im unkontrollierten Luftraum tun dürfen, ohne einen IFR-Flugplan einzureichen, wenn Sie über eine Instrumentenflugberechtigung oder eine andere geeignete Berechtigung verfügen (ich glaube, es gibt eine Berechtigung zum Fliegen von Segelflugzeugen im Vereinigten Königreich). Ich glaube, dass der unkontrollierte Luftraum in Großbritannien oft höher ist als die Obergrenze von 700 Fuß oder 1200 Fuß, die wir normalerweise in den USA haben.
@PeterKämpf - In dem einen Fall, den ich in den USA erwähnt habe, weiß ich nicht, wie hoch der Boden des kontrollierten Luftraums zu diesem Zeitpunkt war oder ob der Pilot tatsächlich eher unter IFR als unter VFR flog - hier mehr über die Luftfahrt besprochen . stackexchange.com/q/78746/34686

Wenn ein Flugzeug statisch stabil ist, kehrt es nach einer Störung immer wieder ins Gleichgewicht zurück. Aber was danach passiert, kann entweder Instabilität oder Stabilität zeigen. Hier kommt die dynamische Stabilität ins Spiel.

Sie können sich ein Flugzeug vorstellen, das sich bei einer bestimmten Geschwindigkeit, Höhe und Anstellwinkel im Gleichgewicht befindet und plötzlich mit einer Störung konfrontiert wird, die seine Geschwindigkeit, Höhe und Anstellwinkel ändert. Wenn das Flugzeug statische Stabilität hat, wird es sofort seinen Gleichgewichtszustand suchen. Wenn das Flugzeug auch dynamisch stabil ist, nimmt die Amplitude seiner Bewegung mit der Zeit ab. Dies wird als Senkung bezeichnet.Einer der Hauptfaktoren, die die dynamische Stabilität beeinflussen, ist die Dämpfung im System. Von nun an gehen wir davon aus, dass das Flugzeug bereits statisch stabil ist. Wenn genügend Dämpfung vorhanden ist, verringert ein Flugzeug seine Amplitude langsam, bis die Amplitude auf Null geht. Hier soll das Flugzeug dynamisch stabil sein. Bei geringerer Dämpfung nehmen die Schwingungen mit der Zeit zu und die Bewegungsamplitude nimmt ebenfalls zu. Dies wird als divergente Oszillation bezeichnet. In dieser Situation soll das Flugzeug statisch stabil, aber dynamisch instabil sein.

Das Flugzeug hat eine geringere dynamische Stabilität in großen Höhen, wo die aerodynamische Dämpfung geringer ist. Ein Pilot kann auch die dynamische Stabilität des Flugzeugs verringern. Wenn seine/ihre Eingaben nahe an der Eigenfrequenz des Flugzeugs liegen, kann es dem System Energie hinzufügen und die Divergenz nimmt zu. Dies wird als pilotinduzierte Oszillation (PIO) bezeichnet.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Statisch und dynamisch stabil.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Statisch stabil, aber dynamisch instabil.

Es ist wichtig zu bedenken, dass ein Flugzeug zwar statisch stabil und dynamisch instabil sein kann, aber nicht umgekehrt. Das heißt, ein Flugzeug kann niemals statisch instabil und dynamisch stabil sein.

Mögliche Verbesserung – erster Satz – ändern Sie „es wird immer ins Gleichgewicht zurückkehren“ in „es wird immer versuchen, ins Gleichgewicht zurückzukehren“ … wenn es wirklich ins Gleichgewicht zurückgekehrt ist, dann bleibt es dort bis zur nächsten Störung –
Wäre es möglich, dass sich ein Flugzeug in eine Schwingung einpendelt, die eine bestimmte Amplitude erreicht und dann dort bleibt? Würde das als dynamisch stabil oder instabil klassifiziert werden?
@supercat nicht für Steuerungstheorie, jedoch haben alle Materialkomponenten maximale Auslenkungen usw. und sobald diese erreicht sind, kann das Steuerungssystem nicht weiter reagieren. Das kann bedeuten, dass sich ein Flügel so verbiegt, dass ihm die dynamische Stabilität genommen wird. Ein weiterer Grund könnte sein, dass Sie ein sekundäres Steuersystem haben, das "über" dem Basissystem wirkt: das die Stabilität erhöht, aber mit viel niedrigerer Frequenz arbeitet. Diese Effekte werden jedoch ignoriert, wenn über die Stabilität eines Flugzeugs gesprochen wird: Sie möchten einfach nicht, dass diese auftreten oder davon abhängen.
@ paul23: In einem System linearer Differentialgleichungen wird ein System entweder überdämpft, unterdämpft oder kritisch gedämpft; Selbst wenn es innerhalb normaler Parameter fliegt, wird das Verhalten eines Flugzeugs jedoch nicht perfekt durch ein System linearer Differentialgleichungen modelliert. Viele reale nichtlineare Systeme (einschließlich der meisten speziell entwickelten Oszillatoren) können mit Closed-Loop-Verstärkungen oszillieren, die für einen Teil jedes Zyklus größer als 1 und für andere Teile kleiner als 1 sind.
@supercat Wenn das Flugzeug eine Störung erreicht und an dem Punkt bleibt, an dem die Störung es hingeworfen hat, gilt das Flugzeug als statisch und dynamisch neutral. Die Flugzeugkontrollgesetze von Airbus sind tatsächlich so konzipiert. Es verhält sich so, als hätte es neutrale Stabilität. Wenn Sie innerhalb des Schutzbereichs eine Eingabe machen, bleibt das Flugzeug dort, bis der Pilot einen Wechsel einbringt.
Ich dachte, ich hätte die statische Stabilität die ganze Zeit falsch verstanden: Statische Stabilität stellt nur sicher, dass das System in der Lage ist, ins Gleichgewicht zurückzukehren, dies garantiert jedoch nicht, dass das System dort bleibt. Ich habe immer gedacht, dass statische Stabilität bedeutet, dass das System im Gleichgewichtszustand bleibt, nachdem es nach langer Zeit gestört wurde.
+1 für die Plots, machte mir das Konzept in ein paar Sekunden sofort klar, angesichts des Hintergrundwissens über Stabilität, das ich bereits hatte.
Ich denke, es gibt einen Tippfehler: Ich nehme an, die neutrale Frequenz sollte die natürliche Frequenz lesen ?

Viele gute Informationen in den bisher geposteten Antworten, aber ich denke, es ist auch nützlich darauf hinzuweisen, dass das Flugzeug ohne statische Stabilität (in der Nickachse) nicht trimmbar wäre. Bei positiver statischer Stabilität (in der Nickachse) können Sie für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit trimmen, und wenn Sie den Steuerknüppel dann nach hinten ziehen, spüren Sie einen zunehmenden Vorwärtsdruck auf dem Steuerknüppel, und wenn Sie den Steuerknüppel dann loslassen, die Nase sinkt und die Fluggeschwindigkeit steigt. Wenn Sie für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit trimmen und dann den Steuerknüppel nach vorne drücken, spüren Sie einen zunehmenden Druck nach hinten auf den Steuerknüppel, und wenn Sie den Steuerknüppel dann loslassen, steigt die Nase und die Fluggeschwindigkeit nimmt ab. Statische Stabilität macht das möglich.

Das reicht jedoch nicht aus, um sicherzustellen, dass sich das Flugzeug nach einer Störung tatsächlich auf Trimmgeschwindigkeit einpendelt, wenn Sie weiterhin keinen Vorwärts- oder Rückwärtsdruck auf den Steuerknüppel oder das Steuerhorn ausüben. Wie andere Antworten angemerkt haben, kann das Flugzeug, wenn es statisch stabil, aber dynamisch instabil (in der Nickachse) ist, nach einer anfänglichen Störung in eine "phugoide" Nickschwingung eintreten, die immer größer wird, anstatt zu dämpfen, es sei denn, der Pilot greift ein . Hier ist ein Video, das so etwas zeigt.

Es ist erwähnenswert, dass diese Effekte so subtil sein können, dass ein Pilot viele Stunden praktischer Flugzeit in einem bestimmten Flugzeug sammeln kann, ohne tatsächlich eine Ahnung zu haben, ob es im Hands-Off-Fall dynamisch stabil oder instabil ist Aufbau.

Warum hat dieses echte Flugzeug keine dynamische Stabilität? Ich dachte, Ingenieure würden ein Flugzeug entwerfen, das Schwingungen gedämpft hat?
@Dat - es ist ein Segelflugzeug, und siehe den Verweis auf Segelflugzeuge in einer anderen Antwort hier Aviation.stackexchange.com/a/83369/34686

Statische Stabilität ist die anfängliche Reaktion eines Flugzeugs auf einen sofortigen Impuls (wie eine Turbulenz), während dynamische Stabilität die Reaktion eines Flugzeugs im Laufe der Zeit auf eine Störung ist.

Die dynamische Stabilität kann überprüft werden, indem an einer Flugsteuerfläche gezogen/gedrückt und sofort losgelassen wird: Schwingungen auf der zugehörigen Achse können in der Amplitude zunehmen, in der Amplitude abnehmen oder die gleiche Amplitude beibehalten.

Wenn das Flugzeug im Laufe der Zeit stabil ist, dann ist die anfängliche Reaktion stabil, aber man kann nicht das Gegenteil sagen.

Ich kann es nicht mathematisch erklären (wenn es das ist, wonach Sie suchen).

Referenzen: https://www.boldmethod.com/learn-to-fly/aerodynamics/3-types-of-static-and-dynamic-stability-in-aircraft/

Was bedeutet es, wenn ein Flugzeug statisch stabil, aber dynamisch instabil ist?
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