Wie ändert sich die Autorität der Flugsteuerungsoberfläche mit AOA?

Die Steuerautorität ist eine Funktion des lokalen dynamischen Drucks (das Produkt aus Luftdichte und Geschwindigkeit im Quadrat), der Geometrie (das Produkt aus Steuerfläche und Hebelarm) und des lokalen Anstellwinkels$\alpha$, der Ablenkwinkel$\eta$und der relative Klappenakkord. Im Allgemeinen arbeitet die Steuerfläche ziemlich linear in einem Bereich dazwischen$-15° < \eta < 15°$für einen relativen Klappenakkord von 25% bzw.$-25° < \eta < 25°$für einen relativen Klappenakkord von 15 %. Interpolieren Sie für Werte dazwischen. Beachten Sie, dass die Klappeneffektivität proportional zur Quadratwurzel der relativen Klappensehne ist, so dass eine Klappe von 15 % den doppelten Auslenkungswinkel benötigt, um die gleiche Steuerautorität zu bewirken, als eine Klappe von 60 % relativer Sehnenlänge.

Größere Auslenkwinkel reduzieren die Klappenautorität, und hier wird es kompliziert, weil lokale Strömungsphänomene bis hin zur Steuerumkehr einen großen Unterschied machen können. Für ein einfaches Modell können Sie einfach davon ausgehen, dass die Steuerautorität für alle Auslenkungen, die die oben genannten Grenzen überschreiten, halbiert wird.

Dies alles gilt nur für moderate Anstellwinkel, wenn sich die Kräfte linear mit Änderungen des Anstellwinkels ändern. Sobald Sie sich den Auftriebskraftgrenzen der jeweiligen Steuerfläche nähern, leidet die Autorität. Nun ist es wichtig, das lokale Strömungsfeld zu kennen: Höhenruder fliegen im Kielwasser des Flügels, was effektiv die Anstellwinkeländerungen am Höhenruder im Vergleich zu denen am Flügel reduziert. Dies bedeutet, dass die meisten Höhenruder immer noch einen gesunden Auftriebsspielraum haben, wenn der Flügel zu kippen beginnt. Aber sie werden schließlich ins Stocken geraten. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie sich ein Flügel über die ersten 180° des Anstellwinkels verhält, sehen Sie sich die Grafik unten an. Ein Plot für eine Bedienoberfläche sollte ähnlich aussehen. Es stammt aus einem Buch, das alle Ihre Fragen zur Kontrolloberflächenautorität erschöpfend beantworten sollte, sei es Unter- oder Überschall, für alle denkbaren Konfigurationen. Es wurde vor einem halben Jahrhundert von Sighard Hörner geschrieben und ist immer noch das Beste, was man zu diesem Thema finden kann.

Ein Beispiel für die Klappeneffektivität eines Profils über AoA finden Sie in der folgenden Grafik der XFOIL-Berechnung für ein symmetrisches Wortmann FX71-L-120-Profil mit einer 25 %-Klappe bei einer Reynolds-Zahl von 1 Million und mit einem festen Grenzschichtübergang bei 60 % des Akkords. Beachten Sie insbesondere die Hysterese nahe des maximalen und minimalen Hubanstellwinkels bei höheren Auslenkwinkeln (eigene Arbeit; c$_a$ist der Auftriebsbeiwert).

ALLE Flugsteuerflächen verlieren bei niedrigeren Geschwindigkeiten und/oder in weniger dichter Luft (Wärme/Höhe) an Autorität. In den meisten Fällen kann dies etwas kompensiert werden, indem die Auslenkung erhöht wird, bis das Maximum erreicht ist.

Einige Flugzeuge mit Fly-by-Wire können die "schlampige" Steuerung etwas kompensieren, indem sie die Erhöhung der Auslenkung automatisch vornehmen.

Obwohl ich Ihnen nicht mit Formeln oder Grafiken helfen kann, kann ich Ihnen sagen, dass die Verringerung der Wirksamkeit sehr erheblich sein kann.

Aus Stabilitätsgründen und um die Möglichkeit zu haben, aus einem Stall herauszukommen (natürlich oder durch Piloteneingabe), bleibt der Aufzug jedoch konstruktionsbedingt viel später stehen als die Hauptauftriebsflächen.