Wie verhindert ein Nurflügler, dass er beim Manövrieren ins Trudeln gerät?

Sweepback hilft sehr , und der Rest wird mit Bremsvorrichtungen in der Nähe der Flügelspitzen erreicht.

(Quelle: aerospaceweb.org )

Ist Ihnen aufgefallen, dass die B-2 geteilte Querruder hat, die während des Fluges teilweise geöffnet sind? Ihr Widerstand zieht die Flügelspitze nach hinten, und in Kombination mit dem Sweep hat der vordere Flügel beim Gieren einen längeren Hebelarm, sodass der gleiche Widerstand ein größeres stabilisierendes Giermoment erzeugt.

Bei Segelflugzeugen ist kein Differentialschub verfügbar, und es gibt viele Nurflügler-Segelflugzeuge. Horten III und IV, Fauvel AV-36 und SB-13 sind einige Beispiele. Die Hortens verwendeten Geschwindigkeitsbremsen in der Nähe der Flügelspitzen, und die SB-13 hat Ruder mit unterschiedlicher Auslenkung (70 ° nach außen, 20 ° nach innen) an ihren Winglets, um das Giermoment zu erhöhen.

Die Richtungskontrolle ist bei fliegenden Flügeln kein Problem, obwohl die Richtungsstabilität bei hoher Geschwindigkeit schwach wird, wenn der induzierte Widerstand gering ist. Flattern und ein Tief$c_{L max}$sind die eigentlichen Nachteile. Bodenhandling, Landeeigenschaften und Nutzlastraum sind andere, können aber etwas überwunden werden.

Und Flatspins sind mit nur fliegenden Flügeln nicht möglich. Ihre Spinmoden sind alle ziemlich steil aufgrund des Fehlens eines starken Trägheitsmoments aus der Längsverteilung der Massen .

Es gibt zwei verschiedene Ansätze, passive und aktive Stabilität auf allen drei Achsen.

X-Achse (Rolle):

In der X-Achse werden Nurflügel genauso stabilisiert wie jedes andere Flugzeug. Passive Stabilität wird durch eine leicht nach oben gerichtete Verschneidung zwischen linkem und rechtem Flügel erreicht.

Aktive Stabilität wird durch Querruder in der Nähe der Flügelspitzen erreicht, die einen kontrollierten Differenzialauftrieb erzeugen, der es dem Piloten oder Flugcomputer ermöglicht, die Rollgeschwindigkeit zu steuern.

Y-Achse (Steigung)

Passive Stabilität in der Y-Achse in herkömmlichen Flugzeugen wird durch die hochwirksame Korrekturkraft des horizontalen Stabilisators erreicht (mit Ausnahme von Canard-Flugzeugen, bei denen der Hauptflügel selbst diese Rolle übernimmt).

Aktive Stabilität wird durch Höhenrudersteuerungen an diesem Stabilisator erreicht, die die vertikale Kraft in die eine oder andere Richtung erhöhen oder verringern.

In einem Nurflügler ist dieser Stabilisator nicht vorhanden. Stattdessen übernimmt der hintere Bereich des Hauptflügels diese Rolle. Damit dies funktioniert, muss ein stabiler Nurflügler Flügel haben, die deutlich nach hinten gekehrt sind, so dass die Gesamtdrehmomentkraft sowohl bei einem positiven als auch bei einem negativen hohen Anstellwinkel diesen Anstellwinkel immer verringert.

Aktive Stabilität wird durch Steuerflächen ganz hinten am Flügel erreicht. Dies sind oft die gleichen Steuerflächen, die auch für die Rollsteuerung verwendet werden, aber im Einklang statt in entgegengesetzte Richtungen ausschlagen (Elevons).

Z-Achse (Gieren)

Ähnlich wie beim Nicken erfolgt die passive und aktive Giersteuerung bei herkömmlichen Flugzeugen mit einer Stabilisatorflosse mit einem Seitenruder am Heck.

Bei echten Nurflüglern ist dies nicht vorhanden (einige haben nicht einmal Winglets). Aber der hohe Flügelschwung (normalerweise treffen sich die Flügel eines Nurflüglers in einem Winkel von ungefähr 90 ° an der Spitze) verursacht eine höhere Widerstandskraft am nach vorne gerichteten Flügel wenn das Fahrzeug zu einer Seite giert, was die erforderliche Korrekturkraft bewirkt.

Aktive Steuerung wird erreicht, indem zusätzlicher Widerstand durch eine Art Bremsklappen in der Nähe der Flügelspitzen verursacht wird (die tatsächlichen Implementierungen variieren - geteilte Höhenruder - separate Bremsklappen - ...). Dies kann auch durch die Verwendung von Differentialschub verstärkt werden.

(Anmerkung: Die Korrekturkraft ist viel geringer als die, die durch eine Heckflosse verursacht wird. Daher sollte ein solcher angetriebener Nurflügler seine Triebwerke relativ nahe an der Mitte haben, da sonst ein Ein-Triebwerk-Aus-Szenario ein nicht korrigierbares Giermoment verursachen würde. Dies jedoch begrenzt die Wirksamkeit des Differentialschubs, wenn das Fahrzeug in einem solchen Zustand flugfähig bleiben soll)

Geschwindigkeit und Stallstabilität:

Bei einem geschwindigkeitsstabilen Flugzeug neigt sich die Nase bei höheren Geschwindigkeiten nach oben und nach unten, wenn das Flugzeug langsamer wird, da der Schwerpunkt vor dem Auftriebszentrum liegt, wodurch die Nase abfällt. Dies wird durch eine (normalerweise parasitäre) Abwärtskraft vom horizontalen Stabilisator ausgeglichen, die am Heck des Flugzeugs wirkt. Diese Anordnung der Kräfte sollte auch dazu führen, dass sich die Nase senkt und der Anstellwinkel in einer Stall-Situation kleiner wird.

Da ein Nurflügler diesen Stabilisator nicht hat, muss ein ähnliches Kräftegleichgewicht durch eine sorgfältige Gestaltung von Flügelprofil und Verwindung erreicht werden. Wenn Sie sich beispielsweise Horton-Nurflügel-Segelflugzeugdesigns ansehen, haben sie ein "dickes" Profil, das den größten Teil des Auftriebs in der Mitte (die dank der Flügelpfeilung auch die Vorderseite ist) zum Ende und zur Rückseite der Flügel hin erzeugt das Profil wird dünner und symmetrischer. Gleichzeitig sind die Flügel leicht verdreht, sodass der eigentliche Anstellwinkel an der Spitze (und damit am hinteren Ende des Flügels) einige Grad niedriger ist als in der Nähe der Nase.

Bei hohen Geschwindigkeiten erzeugt die Vorderseite des Flügels mehr Auftrieb als die Rückseite und hebt die Nase an. Dieser Teil hat die höchste Flächenlast und wird zuerst abwürgen, während der nach hinten gepfeilte Außenflügelbereich - dank seines Profils, niedrigerer AoA und niedrigerer Last noch nicht abgewürgt ist. Die Nase fällt ab, und die Steuerflächen in diesem hinteren Teil bleiben funktionsfähig.

Es sollte beachtet werden, dass nicht alle Nurflügelkonstruktionen ein sicheres Strömungsabrissverhalten erreichten. Einige, wie die amerikanischen Entwürfe der frühen 1940er und 1950er Jahre, implementierten die Stallstabilität nicht korrekt, während andere (wie der B2-Bomber) das Flugzeug absichtlich aerodynamisch unsicher konstruierten, um andere Merkmale (Stealth) zu erleichtern, die durch einen "verdrehten" Flügel beeinträchtigt worden wären.

Nurflügler verwenden Differentialschub zur Giersteuerung anstelle von vertikalen Stabilisatoren und Rudern. Einige haben zu diesem Zweck auch kleine Außenbordruder oder Spoiler.

Das erste als eigenstabil zertifizierte Flugzeug, die Dunne D.5 von 1910, hatte einen schwanzlosen Pfeilflügel. Es folgte eine Reihe von Doppeldeckern und Eindeckern, allesamt schwanzlose, gefegte Typen und einige wohl mit fliegenden Flügeln, an denen Teile herunterbaumelten.

Das Hauptmerkmal, das sie in der Tonhöhe stabil machte, war das Herunterdrehen oder Auswaschen des Flügels von der Wurzel bis zur Spitze, was später als "Anbringen des Schwanzes am Ende des Flügels" beschrieben wurde. (Einige schwanzlose Typen haben spezielle Flügel mit einem stabilen Druckzentrum verwendet, so dass die übliche destabilisierende Bewegung mit Anstellwinkel vermieden wird.)

Diese Flugzeuge waren der Höhepunkt einer jahrzehntelangen Suche nach einem Flugzeug, das nicht nur stabil war, sondern sich automatisch aus jeder Position, in die es geworfen wurde, aufrichten konnte. Sein Freund HG Wells und der Lizenznehmer Starling Burgess (aus der Burgess-Dunne-Linie) dokumentieren beide seine Angewohnheit, auf eine bequeme Plattform zu springen und kleine Papiermodelle zu starten, um den Punkt zu veranschaulichen (Viele dieser Modelle sind in der Archivsammlung des Science Museum erhalten).

Um ein Abwürgen und Drehen zu vermeiden, wurde das Heck mit dem Flügel verbunden und die Einfallsvariation entlang ihrer gemeinsamen Spannweite geglättet, sodass es auf einer Oberfläche nicht zu einem plötzlichen Ausbrechen kommen konnte, sondern an der Wurzel beginnen und die Nase dann zur Wiederherstellung abfallen würde reibungslosen Ablauf. Die Spitzen wurden so angeordnet, dass sie ein umgekehrtes Gieren erzeugen, so dass das Bankieren in eine Kurve die richtige Menge an Gieren für eine reibungslos koordinierte Kurve aufbringt. Ein Teil davon wurde durch tatsächlichen Abtrieb an den Spitzen (kürzlich von der NASA in den Prandtl-Flügel eingebaut) durchdrungen. Die Doppeldecker erfüllten tatsächlich seine Ansprüche und einer wurde 1913 sicher durch einen Sturm über den Kanal geflogen, Bedingungen, in denen mehr als ein herkömmliches Flugzeug des Tages spurlos verschwand. Die Eindecker waren etwas anders, aber ihr einziges Laster war, total und plötzlich abzuwürgen, wenn sie zu langsam geflogen wurden, und "

Jack Northrop, der später Pionier des Nurflüglers in den USA war, war ein großer Fan von Dunne.