Wie wird die vertikale Geschwindigkeit in Airlinern verwaltet? [Duplikat]

Die vertikale Geschwindigkeit wird hauptsächlich mit Steuerelementen gesteuert .

Der Auftrieb ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und zum Anstellwinkel¹ und der Anstellwinkel kann mit den Höhenrudern eingestellt werden. Pilot oder Automatisierung verwenden diese, um die Flugbahn des Flugzeugs zu steuern.

Während das Flugzeug auf der Landebahn beschleunigt, zieht der Pilot irgendwann an der Steuersäule, wodurch die Höhenruder nach oben drehen und der resultierende Abtrieb am Heck die Nase vom Boden abhebt². Dadurch erhöht sich der Anstellwinkel – weil sich das Flugzeug immer noch horizontal bewegt –, der Auftrieb übersteigt das Gewicht und das Flugzeug beschleunigt nach oben.

Wenn es beginnt, nach oben zu beschleunigen, verringert der Pilot den Zug an der Steuersäule, um zu verhindern, dass sich das Flugzeug weiter nach oben neigt. Und wenn das Flugzeug nach oben beschleunigt, nimmt der Winkel zwischen Flugrichtung und Längsneigung – also der Anstellwinkel³ – wieder ab, bis die Kräfte im Gleichgewicht sind. Dann befindet sich das Flugzeug im stetigen Steigflug.

Wenn das Flugzeug die Spitze des Steigflugs erreicht, drückt der Pilot⁴ auf die Steuersäule. Dies bewirkt, dass das Flugzeug nach unten neigt, was den Anstellwinkel verringert, und somit anhebt, und das Flugzeug beginnt, nach unten zu beschleunigen, dh den Steigflug zu verlangsamen. An dem Punkt, an dem sich das Flugzeug horizontal bewegt, wird die Steuersäule zurückgeschoben, um die Kräfte wieder ins Gleichgewicht zu bringen.

Nun zu den Details der Bedienung der Steuerungen, die Längsstabilität kommt ins Spiel. Flugzeuge werden normalerweise⁷ längsstabil ausgelegt. Das bedeutet, dass das Flugzeug mit abnehmendem Anstellwinkel nach oben neigt – was ihn wieder vergrößert – und mit zunehmendem Anstellwinkel nach unten neigt – was ihn wieder verringert. Das Nettoergebnis ist, dass, wenn die Aufzüge in Ruhe gelassen werden, das Flugzeug einen bestimmten Anstellwinkel beibehält.

Wenn das Flugzeug steigt, neigt es dazu, langsamer zu werden, es sei denn, die Motorleistung wird erhöht, da seine potenzielle Energie zunimmt und sie der kinetischen Energie entnommen wird, wenn die Triebwerke nicht genug liefern⁸. Und wenn es langsamer wird, nimmt sein Auftrieb ab, sodass sein Anstellwinkel zunimmt, aber das führt dazu, dass es aufgrund der Stabilität nach unten neigt. Das Nettoergebnis ist, dass es sich weigert zu klettern, wenn nicht genügend Leistung bereitgestellt wird.

In ähnlicher Weise wird es beim Abstieg dazu neigen, zu beschleunigen, da die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wird⁹ und das den Auftrieb erhöht, was den Anstellwinkel verringert und die Stabilität das Flugzeug nach oben bringt. Es verweigert also den Abstieg, wenn die Leistung nicht reduziert wird.

Letztendlich wird die vertikale Geschwindigkeit also tatsächlich durch Schubhebel gesteuert . Was auch viel einfacher aus dem Energieerhaltungssatz zu beweisen ist.

¹ Bis zum kritischen Anstellwinkel, wo Strömungsabriss auftritt.

² Dies wird Rotation genannt.

³ Anstellwinkel ist richtig definiert als Winkel zwischen dem relativen Wind und der Sehnenlinie des Flügels, aber in der Praxis wird häufig die Flugzeugachse verwendet. Dies macht die Sache einfacher, da Sie den Einfallswinkel – Winkel zwischen der Flugzeugachse und der Flügelsehne – nicht berücksichtigen müssen, zumal viele Flugzeuge verdrehte Flügel haben, bei denen sich der Einfallswinkel entlang der Spannweite ändert.

⁴ Oder häufiger der Autopilot. Während der Start immer manuell geflogen wird, ist oberhalb von FL290⁵ die Verwendung des Autopiloten erforderlich, da es zu ermüdend und unzuverlässig wird, die Höhe von Hand mit ausreichender Präzision aufrechtzuerhalten, um eine Trennung zu gewährleisten⁶.

⁵ Flughöhen werden durch den Druck definiert, der einer gegebenen Höhe in Hunderten von Fuß an einem Standardtag entspricht. FL290 ist also 29.000 Fuß, aber mehr, wenn es warm ist, und weniger, wenn es kalt ist. Der Grund dafür ist, dass der Druck einfach und ziemlich genau gemessen werden kann und das Fliegen mit ausreichend unterschiedlichen Drücken dafür sorgt, dass auch die Höhen unterschiedlich sind.

⁶ Ursprünglich betrug der Mindestabstand 2.000 Fuß über 29.000 Fuß aufgrund der geringeren Genauigkeit der Höhenmesser und der geringeren Fluggenauigkeit, da sich die Flugzeuge in der dünneren Luft dort oben schneller bewegen. Aber da nicht alle Flugzeuge dort oben mit diesen Abständen passen würden, wurden 1.000 Fuß zugelassen, vorausgesetzt, das Flugzeug fliegt mit Autopilot und hat einen ausreichend genauen Höhenmesser. Dies wird als reduzierte vertikale Abstandsminima bezeichnet

⁷ Einige Fighter sind absichtlich instabil konstruiert, da dies eine schnellere Steuerreaktion ermöglicht. Alle diese Flugzeuge haben computergesteuerte Steuerungen, die dies kompensieren, sonst wäre das Fliegen sehr ermüdend.

⁸ Berücksichtigen Sie alternativ, dass der Auftriebsvektor nach hinten geneigt ist und daher eine größere hintere Komponente hat, die der Luftwiderstand ist. Die Physik hat immer mehrere Möglichkeiten, eine Situation zu analysieren.

⁹ Der Auftriebsvektor ist beim Sinkflug nach vorne geneigt, daher gibt es eine Vorwärtskomponente, die das Flugzeug beschleunigt.

Hier ist eine Zeitleiste eines Flugzeugs, das abhebt und zur Kreuzfahrt steigt:

1. Das Flugzeug macht seine Startrolle. Während dieser Phase ist die Aufwärtskraft auf das Flugzeug gleich dem Gewicht des Flugzeugs. Die vertikale Geschwindigkeit ist Null. Zunächst wird die gesamte Auftriebskraft vom Fahrwerk erzeugt.
2. Das Flugzeug richtet sich auf und beginnt zu steigen. In dieser Phase (die nur wenige Sekunden dauert) ist die Auftriebskraft größer als das Gewicht. Die vertikale Geschwindigkeit nimmt zu.
3. Das Flugzeug steigt stetig. Während dieser Phase ist die Aufwärtskraft wieder ungefähr gleich der Gewichtskraft. Die vertikale Geschwindigkeit ist positiv, ungefähr konstant.
4. Das Flugzeug flacht ab. Während dieser Phase ist die Aufwärtskraft geringer als das Gewicht. Die Vertikalgeschwindigkeit nimmt ab.
5. Das Flugzeug fliegt in konstanter Höhe. Während dieser Phase ist die Aufwärtskraft gleich dem Gewicht. Die vertikale Geschwindigkeit ist Null.

Um Ihre konkreten Fragen zu beantworten:

Wenn es eine resultierende Kraft gibt, sollte die Steigrate nicht immer größer werden?

Das ist richtig; solange die Auftriebskraft größer ist als das Gewicht. Solange jedoch die Vertikalgeschwindigkeit eines Flugzeugs zunimmt, nimmt sein Anstellwinkel automatisch ab, selbst wenn es eine konstante Neigung beibehält. In der Praxis wird also jedes Mal, wenn die Aufwärtskraft größer als das Gewicht ist, sie schnell wieder nach unten gehen, bis sie wieder ungefähr gleich dem Gewicht ist.

Und wenn das Flugzeug die gewünschte Höhe erreicht, gehe ich davon aus, dass entweder die horizontale Geschwindigkeit verringert wird oder das Flugzeug aus der Pitch-Up-Position in den Normalzustand übergeht, ...

Dieser Teil ist richtig. Im Allgemeinen, wenn die Piloten entscheiden, dass sie mit dem Steigen fertig sind, neigen sie sich nach unten, um den Steigflug zu stoppen.

... den Lift grundsätzlich mit dem eigenen Gewicht auszubalancieren.

Dieser Teil ist nicht korrekt. Beim Aufstieg sind Auftriebskraft und Gewicht bereits im Gleichgewicht. Die Art und Weise, wie die Piloten den Steigflug stoppen, besteht darin, die Aufwärtskraft vorübergehend kleiner als das Gewicht zu machen.

Ich glaube nicht, dass Piloten normalerweise an Aufwärtskraft und Gewicht denken; Der Denkprozess ist eher wie „Ich will klettern, also steige ich auf“ und „Ich möchte aufhören zu klettern, also steige ich runter“. Aber "hinter den Kulissen", was sie wirklich tun, ist die Anpassung der Aufwärtskraft.

(Sie werden feststellen, dass ich „Aufwärtskraft“ anstelle von „Heben“ sage. Für die Zwecke dieses Themas ist der Unterschied nicht wichtig, aber es gibt einen Unterschied.)

In diesem Moment hat das Flugzeug eine gewisse vertikale Geschwindigkeit, also sollte das Flugzeug nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit aufsteigen, selbst nachdem es die gewünschte Geschwindigkeit erreicht hat, da sich Objekte weiterhin mit derselben Geschwindigkeit bewegen, wenn keine Kraft auf sie wirkt?

Ihre Überlegung ist richtig. Wenn die Piloten die vertikale Geschwindigkeit konstant halten wollen, halten sie die Aufwärtskraft gleich dem Gewicht. Wenn sie mit dem Klettern beginnen wollen, machen sie die Aufwärtskraft größer als das Gewicht, und wenn sie mit dem Klettern aufhören wollen, machen sie die Aufwärtskraft kleiner als das Gewicht.

Ich finde es hilfreich, sich die Kraftvektoren anzusehen:

(Quelle: eigene Arbeit)

Die linke Seite zeigt die Kräfte konventionell, mit der Ebene in der Mitte. Wenn wir sie jedoch wie rechts neu anordnen, können wir sehen, dass die Kräfte ausgeglichen sind. Das bedeutet, dass sich das Flugzeug im unbeschleunigten Flug befindet .

Wenn wir uns zum Klettern aufstellen, passiert Folgendes:

]

(Quelle: eigene Arbeit)

Die Schub-, Auftriebs- und Widerstandsvektoren drehen sich mit dem Flugzeug, aber die Schwerkraft zeigt immer noch nach unten. Rechts sehen wir, dass die Kräfte nicht mehr im Gleichgewicht sind, also beschleunigt das Flugzeug nach oben.

Wenn wir nichts anderes tun, um zu kompensieren:

(Quelle: eigene Arbeit)

Auf der linken Seite wird das Flugzeug langsamer, wodurch Auftrieb und Luftwiderstand verringert werden. Die Kräfte gleichen sich nun aus und das Flugzeug kehrt zum unbeschleunigten Flug zurück.

In der Mitte beenden wir unseren Aufstieg und stürzen wieder nach unten. Die Kräfte sind jedoch wieder unausgeglichen, sodass das Flugzeug nach unten beschleunigt.

Rechts beschleunigt das Flugzeug, was Auftrieb und Luftwiderstand erhöht. Die Kräfte gleichen sich nun aus und das Flugzeug kehrt zum unbeschleunigten Flug zurück.

Wenn wir auch den Schub anpassen, sind die Ergebnisse etwas anders:

(Quelle: eigene Arbeit)

Auf der linken Seite erhöhen wir den Schub, um die Geschwindigkeit beizubehalten, wodurch der Luftwiderstand gleich bleibt, aber der Auftrieb nimmt immer noch ab. Die Kräfte gleichen sich nun aus und das Flugzeug kehrt zum unbeschleunigten Flug zurück.

In der Mitte beenden wir unseren Aufstieg und stürzen wieder nach unten. Die Kräfte sind jedoch wieder unausgeglichen, sodass das Flugzeug nach unten beschleunigt.

Rechts reduzieren wir den Schub, um die Geschwindigkeit beizubehalten, wodurch der Luftwiderstand gleich bleibt und der Auftrieb zunimmt. Die Kräfte gleichen sich nun aus und das Flugzeug kehrt zum unbeschleunigten Flug zurück.

Zusammenfassung: Am oberen und unteren Ende des Aufstiegs gibt es Beschleunigung, während des Aufstiegs selbst jedoch nicht, sodass die vertikale Geschwindigkeit konstant bleibt.

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Der springende Punkt bei dieser Frage ist das Kräftegleichgewicht. In der Atmosphäre verhindert der Luftwiderstand, dass ein Objekt kontinuierlich beschleunigt. Der Luftwiderstand nimmt mit der Geschwindigkeit zu, bis seine Kraft gleich der Beschleunigungskraft ist. Jetzt haben Sie ausgeglichene Kräfte bei konstanter Geschwindigkeit.

Das einfachste Beispiel ist der Fallschirm. Ohne einen wird Ihre Endgeschwindigkeit etwa 120 Meilen pro Stunde betragen, wenn Sie mit ausgestreckten Armen und Beinen in Bauchlage fallen. Noch schneller, wenn Sie gerade nach unten zeigen (weniger Luftwiderstand). Der Fallschirm bietet viel mehr Luftwiderstand und benötigt nur 24 km/h, um die Erdbeschleunigung auszugleichen.

Bei 18-Rad-Fahrzeugen versuchen wir, unsere Geschwindigkeit durch dynamisches Bremsen (vom Motor) zu kontrollieren, um ein Aufheizen der Bremsen zu vermeiden. Wir wissen auch, dass eine Verdoppelung der Geschwindigkeit die Bremsen 4x schneller aufheizt, da die kinetische Energie proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist. Bemerkenswert ist auch, dass der Bremsweg 4x länger ist. Die Geschwindigkeitskontrolle dient auch der Landung, da die gleiche kinetische Energie mit der Geschwindigkeit quadriert wird. Bei 70 mph hast du 36 % mehr Energie als bei 60 mph.