Was sind die Gründe für die Umstellung von Trimmklappen auf die Bewegung der gesamten Oberfläche (z. B. Stabilisator)?

Die Trimmung wird verwendet, um die Steuerknüppelkräfte bei den gewünschten Flugbedingungen auf Null zu stellen, und bei den kleinen, langsamen frühen Flugzeugen würde eine einstellbare Feder irgendwo entlang der Steuerkabel ausreichen. Mit zunehmender Geschwindigkeit wurden Trimmklappen eingeführt, da ihre Trimmkraft mit dynamischem Druck auf und ab geht, während die Feder immer die gleiche Kraft erzeugen würde. Dies würde eine Neueinstellung bei jeder Geschwindigkeitsänderung erfordern.

Mit zunehmender Größe und Geschwindigkeit von Flugzeugen erforderte die manuelle Steuerung immer kompliziertere Mittel zur Kraftreduzierung (Flettner-Laschen, Federlaschen), und die relative Sehnenlänge aller sich bewegenden Oberflächen schrumpfte, um mehr Kontrolle mit weniger Kraft zu ermöglichen. Das Moment um das Scharnier einer Steuerfläche steigt mit dem Quadrat der Sehne, aber die Auftriebsänderung für einen gegebenen Ablenkwinkel steigt nur mit der Quadratwurzel der Sehne.

Parallel dazu nahmen die Flächenbelastungen zu, was Hochauftriebsvorrichtungen erforderte, um die Start- und Landegeschwindigkeit niedrig zu halten. Diese fügen dem hinteren Teil des Flügels viel Auftrieb hinzu und erzeugen ein starkes Nose-Down-Moment, und jetzt würde ein einfacher Steuerausschlag nicht ausreichen, um das Flugzeug zu trimmen. Durch die reduzierte Sehnenlänge wären für die Trimmung hohe Umlenkwinkel erforderlich gewesen, die mit nachlassender Wirksamkeit weit in den Bereich der Umlenkwinkel reichten. Da kamen verstellbare Stabilisatoren ins Spiel: Die Trimmänderung bei allen Konfigurationen war einfach zu groß, um allein vom Höhenruder abgedeckt zu werden.

Als nächstes folgte der Transschallflug, und hier ist die einstellbare Heckanstellung entscheidend, um das Flugzeug durch den Übergang vom Unterschall- zum Überschallflug zu trimmen. Ein Konturbruch von einem abgelenkten Höhenruder könnte Stöße verursachen, die eine Höhenruderumkehr erzeugen könnten. Die dynamischen Drücke des Düsenflugs machten der manuellen Steuerung ein Ende - die letzten, berühmten Beispiele waren die Canberra oder die Dash-8 (Boeing 707-Prototyp). Nun kamen hydraulische Aktuatoren zum Einsatz, dennoch ist es sinnvoll, mit aerodynamischen Mitteln die Steuerkräfte zu reduzieren, denn durch geschickte Gelenkmomentreduzierung lassen sich Baugröße und Kraftbedarf der Aktuatoren reduzieren. Die Trimmklappen wurden zunächst durch Kabel bewegt, aber bald verwendeten sie elektrische Aktuatoren.

Da Seiten- und Querruder beim Ausfahren der Hochauftriebsklappen (Fowler-Klappen, Schlitzklappen) nicht betroffen sind, verwenden sie weiterhin einfache Trimmklappen. Neueste Entwicklungen sind elektrische Ruderaktuatoren, die helfen können, Masse einzusparen und die unordentliche Hydraulik zu vermeiden. Der RQ-4 verwendet elektrische Aktuatoren, da das Hydrauliköl ständig durch die Leitungen gepumpt werden müsste, um es in der großen Einsatzhöhe warm genug zu halten. Nur das Fahrwerk nutzt noch die Hydraulik zum Einfahren.

Ein Grund für das Bewegen der gesamten Oberfläche zum Trimmen ist die Effizienz. Das Auslenken der Höhenruder oder Trimmklappen erzeugt mehr Luftwiderstand als das Einstellen der gesamten Oberfläche. Die Steuerflächen sind aerodynamischer ohne Auslenkung der Trimmflosse.

Das Höhenruder ist die Hauptfläche, die zum Trimmen des Flugzeugs benötigt wird. Dies liegt daran, dass Dinge wie Treibstoff und Nutzlast den Schwerpunkt (CG) beeinflussen und das Höhenruder so getrimmt ist, dass es das Flugzeug ausbalanciert. Darüber hinaus ändern sich die externen Belastungen des Flugzeugs während des gesamten Flugs durch Dinge wie Schubeinstellungen und Auftrieb und Luftwiderstand des Flügels. Unterschiedliche Fluggeschwindigkeiten und das Ausfahren von Klappen, Geschwindigkeitsbremsen, Fahrwerken usw. wirken sich ebenfalls auf die Balance des Flugzeugs aus.

Das Gleichgewicht zwischen links und rechts ist weniger problematisch und kann durch Ändern des Kraftstoffgleichgewichts zwischen den Tanks behoben werden. Aerodynamische Kräfte neigen dazu, das Flugzeug beim Gieren zu stabilisieren, daher ist das Trimmen beim Gieren wirklich nur unter seltenen Umständen ein Problem. Ruder- oder Schubeinstellungen können nach Bedarf angepasst werden.

Ein weiterer Grund ist die Struktur des Flugzeugs. Das Höhenleitwerk wird wesentlich weniger belastet als die Tragflächen. Die Fähigkeit, die Heckfläche zu bewegen, fügt dem Design Gewicht und Komplexität hinzu, und dies wäre eine viel größere Herausforderung mit dem Flügel. Die Effizienzvorteile machen dieses Design für das Höhenleitwerk machbar, aber es gibt nicht genügend gute Gründe, das Seitenleitwerk oder die Flügel zu verschieben, um die Kosten zu rechtfertigen.

In einer anderen Situation befinden sich Flugzeuge, die tatsächlich die gesamte Leitwerksfläche zur Steuerung nutzen. Dies sind im Allgemeinen Militärflugzeuge, die eine hohe Manövrierfähigkeit beibehalten müssen, insbesondere bei sehr niedrigen oder sehr hohen Fluggeschwindigkeiten (siehe diese Frage ). Diese Flugzeuge sind im Allgemeinen auch kleiner, sodass das Bewegen einer kleineren Oberfläche weniger schwierig ist.

Trimmklappen erleichtern dem Piloten das Bewegen der Ruder. Es sind die Aufzüge, die tatsächlich die Fluglage des Flugzeugs beeinflussen.

Ein vollständig bewegliches Heck gibt mehr Kontrolle über die Fluglage als nur die Steuerfläche. Sie ermöglichen auch mehr Kontrolle bei Strömungsabriss und transsonischen Bedingungen (während der Strömungstrennung), da der Pilot die Vorderkante steuern kann.

Zu den Vorteilen vollständig beweglicher Oberflächen gehören: 1. Weniger Luftwiderstand 2. Mehr Autorität

Zu den Nachteilen gehören: 1. Die Steueroberfläche kann blockieren. 2. Erfordert Bewegungsstruktur und mehr Kraft, um sich zu bewegen.