Wie erhöht ein Flugzeugkonstrukteur die dynamische Stabilität?

Diese Frage erklärt, dass ein Flugzeug statisch stabil sein kann (es wird versuchen, ins Gleichgewicht zurückzukehren), aber dynamisch instabil sein (die Amplitude der Schwingungen nimmt zu), wenn die Stabilitätsgleichung nicht genügend Dämpfung enthält.

Aus mathematischer Sicht ist das in Ordnung, aber welche praktische Änderung würde die Dämpfung und die dynamische Stabilität erhöhen?

Ich habe schon einige funkgesteuerte Trainer gesehen, die dynamisch instabil sind, und würde gerne wissen, wie man das Problem beheben kann, damit sie für den Flugschüler einfacher zu fliegen sind.

Diese Flugzeuge ziehen sich normalerweise von selbst aus einem Tauchgang zurück, steigen dann aber übermäßig und geraten ins Stocken, was zu einem weiteren Tauchgang führt. Jeder nachfolgende Stall und Tauchgang ist dramatischer als der letzte.

Die alte Säge soll Gewicht nach vorne bewegen. Die ASE-Erklärung beinhaltet im Allgemeinen ein Drehmoment um den Schwerpunkt herum. Das Halten des Flügel-CP hinter dem CG würde helfen, den Anstieg der Nase zu kontrollieren, wenn der Auftrieb zunimmt (weil der Flügel die Nase tatsächlich nach unten dreht). Außerdem fungiert jetzt mehr Flügel als "Schwanz" (Stabilisierungsbereich hinter dem Schwerpunkt). Aus der Arbeit mit Segelflugmodellen ist im Wesentlichen der Flügel zu groß/stark für sein "Heck". Man muss sich vor übermäßiger Stabilität in Acht nehmen, die es schwieriger macht, sich aus einem Tauchgang zurückzuziehen.
@RobertDiGiovanni - Ist das nicht nur statische Stabilität? Ich spreche von Flugzeugen, die sich von selbst aus dem Sturzflug zurückziehen, aber dann übermäßig steigen und ins Stocken geraten, was zu einem weiteren Sturzflug führt.
Nicht wirklich, es hängt davon ab, ob der Flügel die Nase anhebt oder das Heck nach unten drückt. Ich kann sehen, wie geschwungene Flügel Ingenieure wirklich verrückt machen, besonders wenn Vorflügel eingesetzt werden. CP zu weit zu bewegen kann die Kontrolle erschweren, besonders bei einem kleineren Heck.
@RobertDiGiovanni - Können Sie erklären, wie sich das von der statischen Stabilität unterscheidet?
Ich habe in der Behauptung gesehen, dass das Verschieben des CG nach vorne die dynamische Instabilität tatsächlich verschlimmern kann, da mehr Decalage (Download am Heck) erforderlich ist. Ich kenne die Wahrheit nicht. Ein guter Ort, um weitere Diskussionen zu suchen, wäre dieses Online-Forum – rcgroups.com/modeling-science-136
@ Robin Bennett der Unterschied besteht darin, dass beide die ursprüngliche Flugbahn suchen, dynamisch instabil zunehmend darüber hinausschießen (ein bisschen wie Dutch Roll in der Tonhöhe). Auch bei überstrichenen Flügeln verschlechtern sich die Spitzen zuerst, wenn eine höhere AOA erreicht wird, was zu den Kräften nach oben beiträgt (wenn der Flügel die Nase anhebt). Der ruhige Fliegerpunkt ist ebenfalls gültig, aber ein übermäßiger Unterschied von CP und CG ist die Hauptursache. Beachten Sie, wie es durch ausgefahrene Vorflügel schwieriger wird, aus dem Tauchgang herauszukommen (mit gepfeilten Flügeln und nach vorne gerichtetem Schwerpunkt).
@quiet flyer Ihr Vorschlag, Spoiler zu öffnen, ist interessant, da er den Flügel ein wenig "schwächt". Das Fallenlassen von Ausrüstung würde den Schwerpunkt und das Zentrum des Luftwiderstands senken (den Pitch-Effekt aufheben), aber Bob Hoover mochte es für Drehungen.
Wenn Sie über R/C-Flugzeuge sprechen, Aerodynamik per se, ist in Ordnung, aber was mir in den Sinn kommt, sind Skalierungsprobleme wie (i) das Verhältnis von Leistung / Schub zu Gewicht für diese R/C-Trainer, die sich sicherlich darauf auswirken, wie sie fliegen. und die Art und Weise, wie sie geflogen werden müssen, (ii) da sie klein und leicht sind, können die destabilisierenden Faktoren wie Windböen typischerweise das gesamte Flugzeug verschlingen. (iii) Verhältnis von Geschwindigkeit zu Größe? Ein 170 Fuß langer Rumpf legt 3 Rumpflängen pro Sekunde bei 300 kts (507 fps) zurück, während ein 3 Fuß langes R/C-Modell bei 60 kts (101 fps) bereits 33 Rumpflängen pro Sekunde ist. Sind diese Faktoren relevant genug?
@ skipper44 nein sind sie nicht. Bücher könnten über das Thema geschrieben werden, aber es gibt Ähnlichkeiten sogar in der Größenordnung. Es besteht eine Beziehung zwischen Heckdrehmoment und Flügeldrehmoment. Die Geschwindigkeitskontrolle ist entscheidend (sehen Sie sich den Vorschlag leiser Flyer an, die Ausrüstung fallen zu lassen und Spoiler zu verwenden). Sie würden sich als Ingenieur dabei helfen, im gesamten Maßstab nach Ähnlichkeiten zu suchen. Aber ich würde zustimmen, dass die Frage spezifischer für einen Flugzeugtyp sein könnte.
@RobertDiGiovanni - Wenn Sie ein bestimmtes Flugzeug wollen, ist der Multiplex EasyStar ein gutes Beispiel. Er war jahrelang der beliebteste Elektrotrainer und wurde vielfach kopiert. Es ist einfach, statisch stabil zu machen, aber normalerweise dynamisch instabil.
@ Robin Bennett Ja, dieser erfordert mit zunehmender Geschwindigkeit eine Abwärtstrimmung , ähnlich wie bei einer 172, die in die Kreuzfahrt geht. Beachten Sie, dass der Abwärtsschub einigen hilft, aber wie bei den meisten Modellen kann er etwas überpowert sein. Viele unerfahrene Modellbauer fliegen (und landen) viel zu schnell. Interessant daran, dass die Diskussion zu Geschwindigkeit V = Schub - Widerstand führt und der Auftrieb proportional zu V ist 2 !. Ich könnte es mit dem Flugzeug versuchen. Danke.
Wenn das Flugzeug nach oben neigt, bis es zum Stillstand kommt , ist es statisch instabil (wenn der CoG hinter dem neutralen Punkt, aber immer noch vor der Akkordmitte liegt, wird das Flugzeug im Stall stabil und neigt sich nach unten, wodurch der Zyklus wiederholt werden kann). Bei dynamischer Instabilität fliegt das Flugzeug auf und ab, aber der Anstellwinkel bleibt ziemlich konstant, so dass dies zu einer Sinuswelle führen sollte, deren Amplitude zunimmt und deren Spitzen genauso glatt sind wie die Böden.
@Jan Hudec "fliegt auf und ab, aber AOA bleibt konstant" würde Geschwindigkeitsänderungen implizieren (weniger statische Stabilität). Es gibt auch eine kurzzeitige Oszillation, bei der ein zunehmender Flügelauftrieb versucht, in eine Schleife zu ziehen (erhöhter AoA des nach unten hebenden Hecks schneller als die stabilisierenden Kräfte (Heck, hinterer Rumpfbereich) es stoppen können). Diese beiden Aspekte machen es interessant und herrlich verwirrend.
@RobertDiGiovanni, es impliziert Geschwindigkeitsänderungen, aber das sagt nichts über statische Stabilität aus, nur über mangelnde Dämpfung, dh dynamische Stabilität.

Antworten (2)

Die Dämpfung wird durch Luftwiderstand und durch große induzierte Geschwindigkeiten an den Leitwerksflächen von einer gegebenen Störung erzeugt. Dies kann durch lange Hebelarme dieser Flächen oder durch hohe Luftdichte verursacht werden.

Mehr zum Thema finden Sie hier:

Diese Flugzeuge ziehen sich normalerweise von selbst aus einem Sturzflug zurück, steigen dann aber übermäßig und geraten ins Stocken …

Dies ist der klassische Langzeitmodus in der Längsstabilität. Da die Rotationsgeschwindigkeiten niedrig sind, ist auch die Nickdämpfung niedrig und der wichtigste Dämpfungsbeitrag kommt vom Luftwiderstand. Ein niedriges L/D verringert die Tendenz zum Überschwingen, eine hohe Trimmgeschwindigkeit verringert die Tendenz zum Strömungsabriss (und verschiebt die Bewegung zu höheren Geschwindigkeiten mit niedrigerem L/D). Durch die Verringerung der statischen Stabilität verlängert sich der Zeitraum, sodass der Pilot leichter reagieren kann. Eine geringere Stabilität macht jedoch die Tonhöhenreaktion empfindlicher, was das Risiko zu großer Steuereingaben erhöht.

Das passt sicherlich zu den Flugzeugen, die ich gesehen habe. Diejenigen, die dynamisch instabil waren, waren effiziente Segelflugzeuge, während grundlegende kastenförmige Designs mit festem Fahrwerk viel stabiler waren. Außerdem bedeutet das Fliegenlernen in dieser Art von Trainer normalerweise, dass sich die Reaktionszeit des Schülers mit Übung verbessert, bis er keine POI mehr hat – normalerweise nur ein oder zwei Stunden Flugzeit, aber es wäre schön, diese Phase zu überspringen!
Du meinst pilotinduzierte Oszillation?
@ skipper44 Ja, deshalb habe ich auf die Wikipedia-Seite für pilotinduzierte Oszillation verlinkt.
@PeterKämpf - Sie und ich haben PIO als POI falsch eingegeben
@RobinBennett Danke, dass du das entdeckt hast! Korrigiert. Ich frage mich, wie das passiert ist.
@Peter Kampf in Zusammenarbeit mit dem Luftfahrtingenieur sprechen wir zu: Das Entspannen der statischen Stabilität reduziert die dynamische Instabilität als Folge einer großen Geschwindigkeitsschwankung ! In der Tat bei Modellflugzeugen und großen Verkehrsflugzeugen gleichermaßen üblich!
@ Robin Bennett, also müssen wir uns mit dem Multiplex Easy Star für das eine oder andere entscheiden. Ich könnte statische Stabilität bevorzugen und lernen, diese Trimmklappe zu verwenden.

Diese Flugzeuge ziehen sich normalerweise von selbst aus einem Tauchgang zurück, steigen dann aber übermäßig und geraten ins Stocken, was zu einem weiteren Tauchgang führt.

Das RC-Fliegen kann schon in jungen Jahren begonnen werden und verschafft jedem potenziellen Piloten einen enormen Vorsprung, um Erfahrungen in allen wichtigen Grundlagen des Fliegens zu sammeln.

Eine Lektion darüber, wie wichtig es ist, den CG innerhalb des angegebenen Bereichs zu halten (und die Konsequenzen, wenn dies nicht der Fall ist), lernt man besser am Modell als im vollen Maßstab.

Die Nichtbeachtung der hinteren Schwerpunktgrenzen (Gewicht zu weit hinten) verringert die Richtungsstabilität beim Nicken und Gieren. Es wird wunderbar um 360 rollen, aber nur, weil das Heck während der gesamten Rolle ständig versucht, nach unten zu fallen, wobei die Nase immer angehoben wird. Im Allgemeinen wird das Flugzeug wendiger, aber schwerer zu kontrollieren sein. (Deshalb verwenden moderne Militärflugzeuge Computer, um die Stabilität zu unterstützen).

Unter den vielen schlimmen Dingen (z. B. niedriges und langsames Abwürgen), die passieren können, ist dynamische Instabilität eine weitere Folge von CG außerhalb der Reichweite. Gerade bei Modellen kann es auf den Bruchteil eines Zentimeters ankommen .

Aber wenn Sie von Grund auf neu bauen, ist es wichtig, dass Heck und Flügel richtig aufeinander abgestimmt sind. Erstaunlicherweise destabilisiert ein horizontaler "Stabilisator" die Neigung, wenn ein Flugzeug vertikal steigt oder sinkt . Dies ist ein sehr wichtiger Aspekt der statischen Stabilität.

Vertikales Steigen oder Sinken ist eine Funktion des Auftriebs . Daher kann ein übermäßiger Auftrieb dazu führen, dass ein Flugzeug seine Korrektur der ursprünglichen Flugbahn "überschießt". Ein extremes Beispiel hierfür ist eine Schleife.

Daher legen wir den Flügeldruckmittelpunkt im Allgemeinen so aus, dass er hinter dem Schwerpunkt liegt, sodass das Drehmoment des Flügelauftriebs um den Schwerpunkt herum hilft, die Nicktendenz zu kontrollieren, wenn der Auftrieb erhöht wird .

Je weiter hinten der Schwerpunkt liegt, desto größer ist die Neigung zum Nicken.

Für kundenspezifische Scratch-Builder ist ein größeres Heck oder ein längeres Heckmoment eine Option, aber denken Sie daran, wenn das Heck Gewicht trägt, bauen Sie im Wesentlichen einen Doppeldecker.

Wie erhöht ein Flugzeugkonstrukteur die dynamische Stabilität?
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