Wie wird ein Flugzeug längsstabil konstruiert?

Meine kurze Antwort:

• Die Stabilität wird durch Verschieben des Schwerpunkts (CoG) gesteuert.
• Das Handbuch sollte Schwerpunktgrenzen angeben. Ein weiter nach vorne gerichteter CoG bedeutet ein stabileres Flugzeug.
• Eine Verschiebung über den neutralen Punkt hinaus macht das Flugzeug instabil, sodass Bewegungen weg vom getrimmten Zustand beschleunigt werden. Bei Überschallgeschwindigkeit wird dieses Flugzeug jedoch wieder stabil.
• Flugzeuge mit ausgeklügelter Computersteuerung können die Stabilität künstlich erhöhen, sodass sie sich bei allen Geschwindigkeiten wie ein stabiles Flugzeug verhalten.

Lassen Sie mich für die lange Antwort zunächst die Begriffe klären:

Statische Stabilität ist die Tendenz eines Systems, nach einer Störung in seinen alten Zustand zurückzukehren. Nehmen Sie ein Pendel: Wenn Sie es zur Seite ziehen, kehrt es in die Mitte zurück. Letztlich.

Dynamische Stabilität ist die Tendenz eines schwingenden Systems, die Schwingungen mit der Zeit abzuklingen. Nehmen Sie das gleiche Pendel: Es wird hin und her schwingen, und die Reibung wird dafür sorgen, dass dies mit immer kleinerer Amplitude geschieht.

Jetzt müssen wir Dimensionen hinzufügen, alle drei: Nicken, Rollen und Gieren. Ein Flugzeug kann in einer Dimension stabil und in einer anderen instabil sein. Ich verstehe Ihre Frage so, dass Sie nach der statischen Nickstabilität (oder Längsstabilität) von Kampfflugzeugen fragen.

Der Wright Flyer war in Längsrichtung instabil ( mehr dazu hier ). Als Flugzeugkonstrukteure erfuhren, dass Flugzeuge stabil fliegen können und dass dies für die Pilotenausbildung von immensem Vorteil ist, wurde statische Stabilität zu einer Anforderung für neue Flugzeuge. Als der Krieg in Europa ausbrach, waren die britischen Streitkräfte mit einem hervorragenden Trainingsflugzeug ausgestattet , aber es war so stabil, dass es Mühe und Zeit kostete, es von einer Kursänderung zu überzeugen. Sie wurden in Scharen niedergeschossen.

Von nun an war eine geringe Stabilität eine Hauptanforderung für Jäger und Kunstflugzeuge. Die statische Stabilität ist proportional zu den Steuerkräften (genauer: zum Scharniermoment der jeweiligen Ruderfläche), so dass die Verringerung der Stabilität dem Piloten bei gleichem Kraftaufwand mehr Reaktion gab. Die statische Längsstabilität wird als relativer Abstand zwischen Neutralpunkt (NP) und Schwerpunkt (CG) gemessen. Siehe hier für mehr. Die statische Längsstabilität wird erreicht, indem der CG vor dem NP platziert wird. Wenn Sie den Schwerpunkt nach hinten verschieben, erhalten Sie ein reaktionsschnelleres Flugzeug, aber auch eines, das leichter von Böen gestört wird.

Dies ist die Designtechnik, nach der Sie gefragt haben. Ziemlich einfach, oder?

Sobald Sie den Schwerpunkt hinter dem NP verschieben, geht die Stabilität verloren und das Flugzeug wird Abweichungen vom getrimmten Zustand verstärken. Dies kann hilfreich sein, wenn Sie schnell große Winkeländerungen wünschen. Ein instabiles Flugzeug braucht nur einen kleinen Tritt und erledigt den Rest des Manövers von alleine.

So hilft es bei der Manövrierfähigkeit. Noch hilfreicher ist es jedoch, die Trägheiten, insbesondere um die Rollachse herum, für ein schnelleres Ansprechverhalten zu reduzieren. Deshalb haben alle Kampfflugzeuge ihre Triebwerke in der Nähe des Zentrums.

Natürlich ist eine negative Stabilität nicht akzeptabel, wenn Sie Ihre Hände vom Steuerknüppel nehmen müssen, um eine Karte herauszuholen oder auf einem langen Flug zu pinkeln. Ohne Computersteuerung war die Grenze also eine CG-Position in der Nähe, aber nicht hinter dem NP.

Bei Überschallflugzeugen wird es komplizierter. Jetzt arbeitet das Flugzeug in zwei Flugregimen, einem, bei dem der Auftrieb an der Viertelsehne des Flügels wirkt, und einem, bei dem er in der Mitte der Sehne wirkt. Flugzeuge mit geringer statischer Stabilität werden im Überschallflug sehr stabil, und die Leitwerksfläche muss einen hohen Abtrieb erzeugen, damit die Summe aller Auftriebe dort bleibt, wo der Schwerpunkt ist. Das Erzeugen von Auftrieb zieht immer eine Widerstandsstrafe nach sich, und im Überschallflug muss sie zweimal bezahlt werden: Einer für den überschüssigen Auftrieb am Flügel (der benötigt wird, um den Abtrieb des Hecks zu kompensieren) und einer für den Abtrieb am Heck .

Die Verwendung eines Flugsteuerungscomputers bietet die Möglichkeit, dem Piloten zu ermöglichen, den Steuerknüppel loszulassen, ohne dass das Flugzeug vom Kurs abkommt. Jetzt befiehlt der Steuerknüppel nicht die Höhenruderauslenkung, sondern die Nickrate, und der Schwerpunkt kann von vielleicht 12 % des MAC (mittlerer aerodynamischer Akkord) auf -2 % zurückbewegt werden. Wenn Sie die Flügelflächen von stabilen und instabilen Jets vergleichen (Jaguar und Mirage F-1 sind Paradebeispiele), werden Sie sehen, wie viel erreicht wird, wenn Sie mit dem CG um ein paar Prozent der Flügelsehne zurückgehen.

Herkömmliche SEPECAT Jaguar- und CCV-Version (Bild aus Ray Whitfords Fundamentals of Fighter Design). Beide Konfigurationen haben die gleiche Flugplatz- und Kampfleistung!

Diese Flugzeuge sind ohne Computersteuerung bei Unterschallgeschwindigkeit instabil. Dies ist an sich kein Vorteil (für eine bessere Manövrierbarkeit hilft es eher, die Trägheit zu reduzieren, wie oben erläutert), aber es reduziert den Trimmwiderstand bei Überschallgeschwindigkeit dramatisch. Im Überschallflug ist ein solches Flugzeug noch stabil, aber viel weniger als eines, das auch bei Unterschallgeschwindigkeit stabil ist. Das bedeutet, dass an den Flügeln weniger Auftrieb benötigt wird und am Heck weniger Abtrieb erzeugt wird, sodass der Luftwiderstand beider Oberflächen gering ist und auch ihre Größe reduziert werden kann, was zu einem positiven Kreislauf der Luftwiderstandseinsparungen führt.