Bitte ignorieren Sie für einen Moment die praktischen Probleme beim Bau und Betrieb eines solchen Flugzeugs.
Angenommen, ein Starrflügelflugzeug, bei dem die Flügel, wenn sie direkt entlang der Rollachse betrachtet werden, genau am vertikalen Schwerpunkt zentriert sind. Angenommen, dieses Flugzeug befindet sich in einem stabilen Horizontalflug in ansonsten stiller Luft. (Ja, das ist ein bisschen wie die kugelförmige Kuh im Vakuum aus der Physik.)
Wenn es eine Störung gibt, wie z. B. einen lokalisierten Auf- oder Abwind, der einen der Flügel mehr als den anderen betrifft, dann im Großen und Ganzen und so wie ich es bisher verstanden habe (Sie können dies gerne ansprechen, wenn ich es völlig falsch verstanden habe), danach Beim Verlassen der Störung und ohne weitere Steuereingaben neigt ein Flugzeug mit hohen Flügeln dazu, zum neutralen Rollen ( dynamisch stabil ) zurückzukehren, und ein Flugzeug mit niedrigen Flügeln neigt dazu, seinen Rollwinkel weiter zu erhöhen ( dynamisch instabil ), als Folge davon Unterschiede im lokalisierten Luftstrom über und unter den jeweiligen Flügeln.
Wie würde sich jedoch unser hypothetisches Mitteldeckerflugzeug, das ich oben beschrieben habe, in einer solchen Situation verhalten?
Meine Hypothese ist, dass das Flugzeug seinen Roll- oder Querneigungswinkel beibehalten würde, was (sofern es nicht beispielsweise durch eine Rudereingabe kompensiert wird) wiederum zu einer Drehung entlang der Gierachse und einer anschließenden Drehung führt.
Hab ich recht oder nicht? Warum?
Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass die vertikale Schwerpunktlage (relativ zum Flügel) eine große Rolle bei der Rollstabilität spielt. Das tut es nicht; Es geht hauptsächlich um Aerodynamik . (Sie erwähnen es selbst in "als Ergebnis der Unterschiede im lokalisierten Luftstrom ...")
Es spielen auch andere wichtige Faktoren eine Rolle: Flächenwinkel, Flügelpfeilung, Design des Seitenleitwerks.
Vermutlich interessiert Sie das Verhalten eines Flugzeugs mit vollkommen neutraler Rollstabilität. Wenn ja, braucht es mindestens diese Bedingungen:
(Technisch gesehen ist die geometrische Symmetrie nicht unbedingt erforderlich: Wir können einen Effekt durch einen anderen kompensieren, z. B. Flügelpfeilung mit Anhedral. Aber im Sinne der ursprünglichen Frage nehmen wir die volle Symmetrie an).
Wir sollten auch eine vernünftige Stabilität beim reinen Gieren annehmen.
Wenn Sie also eine reine Rollstörung induzieren und diese dann entfernen,
Da es eine gewisse Trägheit um die Rollachse hat, stoppt es nicht einfach, wenn Sie die Störung entfernen. Die einzige Kraft, die dem Rollen jetzt entgegenwirkt, ist die Rolldämpfung . Es tritt natürlich auf, weil der absteigende Flügel einen höheren Anstellwinkel hat (und umgekehrt). Die Stärke des Effekts hängt vom Quadrat der Flügelspannweite ab, aber theoretisch wird sich die kugelförmige Kuh ewig drehen, wenn auch mit immer geringer werdender Geschwindigkeit.
Bisher würde nichts ein Gieren hervorrufen, und der Luftstrom wäre immer noch symmetrisch.
Wenn sich jedoch das Rollen entwickelt und das Flugzeug die gleiche Neigungsbalance beibehält, wird der Auftrieb unzureichend, um es waagerecht zu halten. Es passiert das Übliche:
Nun ist dies keine symmetrische Situation mehr. Es gibt eine Seitenkraft von der Schwerkraft; es entwickelt sich ein Seitenschlupf; Das Flugzeug wird aufgrund seiner angenommenen Gierstabilität gieren. Die Dinge werden kompliziert (das heißt „normal“), da viele Variablen beteiligt sind. Selbst in der vertikalen Ebene sind trotz postulierter Symmetrie die Abschattung und andere Querströmungseffekte auf der Ober- und Unterseite des Flügels unterschiedlich (der Flügel kann per Definition nicht aerodynamisch symmetrisch sein, wenn er Auftrieb erzeugt) und somit etwas rollen Wirkung zu beobachten.
Daher ist es schwierig, das weitere Verhalten im Allgemeinen vorherzusagen. An einem Extrem, mit stumpfen Flügeln und schlankem Körper und sehr starken anfänglichen Störungen, kann das Flugzeug viele Male tonnenförmig rollen und kann aufgrund der Trägheitskopplung sogar in eine eigentümliche stabile Rollbewegung eintreten . Auf der anderen Seite rollt das Flugzeug nur ein wenig und tritt in eine sanfte (fast) koordinierte Kurve mit sehr geringem Sinkflug ein.
Damit ein Flugzeug zum neutralen Rollen zurückkehrt, ist auch die Form der Flügel ein wichtiger Faktor, und eine Reihe anderer aerodynamischer Faktoren spielen eine Rolle. Eine positive V-Form hilft zum Beispiel immer, in die Neutralität zurückzukehren. Darüber hinaus sind Flügel manchmal auch so konstruiert, dass sie sich unter Last biegen, was den gleichen Effekt wie die V-Form hat.
Aber wenn Kühe kugelförmig sind, würde ich sagen, dass Ihre Hypothese richtig ist. Bei hochflügligen Flugzeugen ist die Hebelwirkung des unteren Flügels, wenn das Flugzeug geneigt ist, länger als die des oberen Flügels, was zu einem Drehmoment in der entgegengesetzten Richtung der Querneigung führt; was zu einer Verringerung des Querneigungswinkels führt. Wenn der Flügel auf den Schwerpunkt gelegt wird, wären die Hebelwirkungen der Kräfte auf beide Flügel unabhängig vom Querneigungswinkel gleich und somit wäre das Gesamtdrehmoment Null; der Querneigungswinkel würde bleiben, wie er ist.
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