Gilt der "Pendeleffekt" für Drachenflieger oder andere Flugzeuge?

Für eine richtige Diskussion sollten wir zuerst definieren, was ein Pendel ist. Nur dann kann festgestellt werden, ob ein solcher Effekt in Flugzeugen bestehen kann.

Lassen Sie uns die Definition auf Wikipedia stützen . Es steht dass

Ein Pendel ist ein Gewicht, das an einem Drehpunkt aufgehängt ist, so dass es frei schwingen kann.

Vielleicht lohnt es sich auch, genauer hinzuschauen, was ein Pivot ist: Ein Ding, an dem sich etwas dreht.

Das Pendel ist also an einem Drehpunkt befestigt, der es in der Schwebe hält und es ihm ermöglicht, frei zu schwingen. Das ideale Pendel hat seine ganze Masse in seinem massiven Pendel und daher sind Drehpunkt und Schwerpunkt nicht am selben Ort. Wenn der Schwerpunkt und der Drehpunkt zusammenfallen würden, könnte ein Pendel nur drehen, aber nicht schwingen. Und diese schwingende Bewegung ist es, worum es beim Pendel geht.

Jetzt für Flugzeuge: Hier haben wir keinen Drehpunkt. Alle Drehungen können nur um den Schwerpunkt herum stattfinden. Dies entspricht dem Pendel ohne Länge, das kein Pendel mehr ist. Aber was ist mit Drachenfliegern? Betrachten wir anhand der Skizze von Pilothead, wie ein Hängegleiter eine Rollbewegung beginnt, und vergleichen Sie dies mit der Art und Weise, wie ein Segelflugzeug dies tut. Die beiden oberen Skizzen zeigen beide im stetigen Geradeausflug, während die unteren beiden Skizzen zeigen, dass beide eine Rolle nach rechts einleiten:

In beiden Fällen ist ein seitliches Ungleichgewicht erforderlich, um ein Rollmoment zu erzeugen (roter runder Pfeil). Während der Pilot des Hängegleiters die gesamte Tragfläche seitlich verschiebt, befiehlt der Segelflieger über die Querruder eine Auftriebsdifferenz zwischen beiden Flügeln. Beachten Sie die Verschiebung des Drachens nach rechts und damit den Auftriebsschwerpunkt in der unteren linken Skizze: Der Schwerpunkt bleibt aufgrund der Impulserhaltung dort, wo er ist, während sich der Pilot leicht nach links verlagert. Im Fall des Segelflugzeugs tritt keine solche seitliche Verschiebung des Fahrzeugs auf; stattdessen wird die Auftriebsverteilung verschoben, um das Ungleichgewicht zu erzeugen. Der Effekt ist derselbe: Eine seitliche Verschiebung zwischen Gewicht und Auftrieb, die ein Rollmoment verursacht. Das Rollen erfolgt um den Schwerpunkt (wegen der Impulserhaltung) .wieder) und in allen Fällen gibt es keine Verschiebung zwischen dem Drehpunkt und dem Arbeitspunkt des Gewichts, weil beide dasselbe sind: Der Schwerpunkt.

Ein Hängegleiter unterscheidet sich nur oberflächlich von einem Flugzeug dadurch, dass der Auftriebsschwerpunkt durch eine seitliche Verschiebung des Flügels anstelle einer Änderung der Auftriebsverteilung (unter Vernachlässigung des Einflusses der Pilotenmasse auf die Takelage jedes Flügels) aktiv verschoben wird, aber in allen Fällen die Fahrzeug dreht sich um seinen Schwerpunkt. Das Gewicht hat keinen Hebelarm zu diesem Schwerpunkt, daher kann es keine Pendelwirkung geben. Oder Kieleffekt, was das angeht.

Der Pendeleffekt ist theoretisch bei Hochflügel-Klimaanlagen vorhanden, aber der Effekt ist vernachlässigbar, da der Momentenarm des Massenschwerpunkts im Verhältnis zum seitlichen aerodynamischen Zentrum so kurz ist. Wie bei der Dieder müssen Sie einen Seitenschlupf haben, damit der Effekt funktioniert, und der Massenmittelpunkt muss unter dem seitlichen aerodynamischen Zentrum des Seitenschlupfrumpfs liegen, damit durch die Schwerkraft ein Rollmoment gegenüber der Seitenkraft erzeugt wird.

Am besten stellt man es sich vor, wenn man es auf die Spitze treibt; Stellen Sie sich ein starr installiertes Gewicht an einer soliden Stange vor, die sich 50 Fuß unter dem Rumpf erstreckt. Wenn das Flugzeug rutscht, wird eine gewisse seitliche Auftriebskraft entgegen der seitlichen Gleitrichtung erzeugt, die irgendwo auf dem Rumpf zentriert ist, und da der Massenschwerpunkt aufgrund des Gewichts auf der Stange weit darunter liegt, wird der Massenschwerpunkt dies wollen unter den Rumpf kommen. Bei einem normalen Hochdecker ist dieser Effekt, wenn überhaupt, vernachlässigbar.

Allerdings nicht für Parasails. Der Pendeleffekt sorgt für die gesamte seitliche Stabilität eines Parasails. Wenn ein Parasail ins Rutschen gerät, will dein Hintern darunter, weil der Schwerpunkt unten ist, wo du bist, und das seitliche aerodynamische Zentrum oben am Flügel. Der Pendeleffekt auf ein Parasail ist so stark, dass es durch Schleudern in die Quere kommen kann, obwohl das Schleudern durch zunehmenden Auftrieb auf der inneren Hälfte des Flügels hervorgerufen wird (es ist der begleitende Luftwiderstand, der die eigentliche Drehung ausführt). Mit anderen Worten, die Pendelwirkung überwältigt das entgegengesetzte Rollmoment der abgesenkten Hinterkante.

Bei einem Hochflügelflugzeug ist der Haupteffekt der Konfiguration die aerodynamische Dieder, dh der unterschiedliche Auftrieb, der durch Seitenschlupf erzeugt wird, wobei die Strömung in Spannweitenrichtung unter dem Flügel behindert wird, aber nicht über der T-Konfiguration, die dazu neigt, den Auftrieb des niedrigen Flügels zu erhöhen. Ein Hochdecker kann durch die aerodynamische V-Form einen ausreichenden Selbstnivellierungseffekt haben, so dass es ohne geometrische V-Form davonkommen kann, und der Flügel ist gerade, obwohl die meisten auch eine geometrische V-Form enthalten.

Ein gutes Beispiel dafür ist der Wasserbomber CL-215. Die Flügel sind gerade und es gibt einen ausreichenden Dieder-Effekt von der T-Flügel-Platzierung, um die Rollstabilitätsanforderungen der Mission des Flugzeugs zu erfüllen. Aber als die Umstellung auf den Turboprop CL-415 abgeschlossen war, stellte sich heraus, dass die flachen Gondeln der PW123-Triebwerke eine blockierende Wirkung auf die Strömung in Spannweitenrichtung über dem Flügel im Seitenschlupf hatten, was einer Verlängerung des Rumpfes über dem Flügel gleichkam und viel tötete des aerodynamischen Diedereffekts. Jeglicher Pendeleffekt, der vorhanden war, war nicht signifikant (wenn überhaupt, war der Massenschwerpunkt des 415 aufgrund der leichteren Motoren im Vergleich zu den R2800 des 215 niedriger).

Die Lösung für den CL415 war eines der größten aerodynamischen Pflaster, das ich je gesehen habe, diese seltsamen kleinen Flügelspitzenverlängerungen (es sind KEINE Winglets), die gerade genug Dieder-Effekt im Seitenschlupf erzeugen, um wiederherzustellen, was durch das Hinzufügen der Finne verloren gegangen ist -wie Gondeln.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Canadair_CL-415_Filling.jpg

Bei Hochdeckern mit Sweep sehen Sie das Gegenteil, da es einen starken Dieder-Effekt durch den Sweep selbst gibt. Die Kombination aus T-Konfiguration und Sweep erzeugt viel zu viel Dieder-Effekt. So haben fast alle Hochdecker mit Pfeilflügeln eine Anhedrale, um den Überschuss auszugleichen.

Der "Pendeleffekt", wie er in der aerodynamischen Theorie verwendet wird, beinhaltet NICHT unbedingt ein Gewicht, das frei schwingen kann. Vielleicht ist es ein schlechter Ausdruck, um zu beschreiben, worüber wir sprechen, aber es ist der, der üblich geworden ist. Es ist auch ein bisschen irreführend, weil es impliziert, dass die Schwerkraft selbst irgendwie ein direktes Rolldrehmoment auf das Flugzeug ausübt. Das ist eigentlich nicht der Fall – die Schwerkraft oder das Gewicht wirkt auf den Schwerpunkt und übt daher kein direktes Rolldrehmoment aus. Dennoch neigt eine niedrige CG-Platzierung dazu, zu einem stabilisierenden Rolldrehmoment zu führen, das dem durch V-Form, Sweep usw. beigetragenen Rolldrehmoment sehr ähnlich ist. Alle diese Effekte tragen bei Vorhandensein von Seitenschlupf zu einem stabilisierenden Rolldrehmoment "gegen den Wind" bei. Man könnte sagen, dass alle diese Effekte die gesamte "effektive Dieder" des Flugzeugs verschieben.

Betrachten Sie frei fliegende Modellflugzeuge mit dem Flügel auf einem Pylon hoch über dem Rumpf. Betrachten Sie Gleitschirme, die eine stark anhedrische Geometrie zum gewölbten Flügel haben und dennoch im Allgemeinen recht stabil Roll-in-Roll sind – wie unzählige Geschichten über sowohl absichtliches als auch versehentliches Wolkenfliegen in solchen Flugzeugen mit minimaler Instrumentierung und dennoch akzeptablen Ergebnissen zeigen.

Beachten Sie, dass die mehreren Leinen, die den Gleitschirmpiloten mit dem Flügel verbinden, aufgrund der dreieckigen Geometrie im Wesentlichen wie feste Streben wirken.

Der Schlüssel zum Verständnis des "Pendeleffekts" liegt im Verständnis, dass eine Kurve im Allgemeinen einen gewissen Seitenschlupf beinhaltet (aus nicht einfachen Gründen) und dass während eines Seitenschlupfes die Luftwiderstandskraft des Flugzeugs eine seitliche Komponente relativ zur Längsachse des Flugzeugs hat und Wir erzeugen auch eine aerodynamische Seitenkraft ("seitlicher Auftrieb", die senkrecht zu den Auftriebs- und Luftwiderstandsvektoren wirkt), wenn der Luftstrom auf die Seite des Rumpfes, des vertikalen Hecks usw. trifft. Jede seitliche Kraft, die über oder unter dem Schwerpunkt wirkt, trägt zu einem Rollmoment bei .

Bei einem Gleitschirm legt die gleiche anhedrische Flügelgeometrie, die aufgrund des unterschiedlichen Anstellwinkels zwischen der linken und der rechten Hälfte der Kappe oder des Flügels während eines Seitenschlupfes einen gewissen Betrag an destabilisierendem Rolldrehmoment "gegen den Wind" beitragen muss, auch eine große viel Oberfläche für die seitliche Strömung, hoch über dem Schwerpunkt, was zu einem stabilisierenden Rollmoment "gegen den Wind" beiträgt - dem "Pendeleffekt". Offensichtlich dominiert bei einem Gleitschirm letzteres über ersteres.

Flugzeuge mit hohen Flügeln profitieren von einer verbesserten Rollstabilität aufgrund des "Pendeleffekts", obwohl es auch ein zusätzliches Rolldrehmoment "gegen den Wind" gibt, das durch Interferenz zwischen dem Rumpf und den Flügeln erzeugt wird. Letzteres kann fehlen, wenn der Flügel auf Streben hoch über dem Rumpf montiert ist - die "Sonnenschirm" -Konfiguration.

Bei einem Hängegleiter hängt der Pilot an einem flexiblen Riemen, der typischerweise in der Nähe des Schwerpunkts des Flugzeugs verbunden ist. Ein "Pendeleffekt" liegt in einem solchen Fall nur dann vor, wenn sich der Pilot mit den Armen einrastet, also mit seinen Muskeln eine Rolleingabe macht. Wenn er die Hände frei hat, wirkt sein Gewicht auf den Schwerpunkt und es gibt keinen "Pendeleffekt", obwohl sein Körper während eines Seitenschlupfs dazu neigt, sich leicht (ein paar Zoll) in Richtung der "gegen den Wind" gerichteten Seite des Kontrollrahmens zu verschieben , genau wie ein rutschender Ball es tun würde. Beachten Sie, dass die Tendenz des Piloten, während eines Schlupfs leicht zur Luvseite des Steuerrahmens zu schwingen, einfach eine Reflexion der seitlichen Komponente des Flügels ist. s Widerstandskraft plus die vom Flügel erzeugte aerodynamische Seitenkraft – wenn diese null wären, hätte der Pilot keine Tendenz, sich zur Luvseite des Steuerrahmens abzulenken, und ein Rutschball würde zentriert bleiben. (Tatsächlich würde in einem solchen Fall der Wind den Piloten während eines Schlupfes tatsächlich auf die andere Seite des Steuerrahmens blasen – die Gegenwindseite. Der Körper des Piloten würde sich eher wie eine Gierschnur als wie ein Gleitrutschball verhalten ! Dies ist nicht das, was wir in der Praxis beobachten.)

In dieser Antwort betrachten wir den Hängegleiter, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, im "freihändigen" Fall - dh wenn der Pilot keine Muskelkraft ausübt. Dieselbe Dynamik wirkt sich auch auf die Steuereingaben (Muskelkraft) aus, die der Pilot aufbringen muss, um ein bestimmtes Ergebnis zu erzielen (z. B. Rollrate), aber wir werden das in dieser Antwort nicht sehr tief untersuchen.

Bei einigen älteren Konstruktionen war der „Hängeriemen“ des Piloten mehrere Fuß unterhalb des „Kielrohrs“ mit dem Hängegleiter verbunden – in diesem Fall wirkte das Gewicht des Piloten weit unter dem Schwerpunkt des Segelflugzeugs, und so wurden die seitlichen aerodynamischen Kräfte erzeugt Flügel während eines Rutschens trug tatsächlich zu einem stabilisierenden "Pendeleffekt" bei. In einem solchen Fall ist es gleichermaßen gültig, Pilot und Gleitschirm als getrennte Körper zu betrachten und das Rollmoment zu beachten, das durch den seitlichen Zug des Hangstraps des Piloten am Gleitschirm erzeugt wird, oder Gleitschirm und Pilot als ein System zu betrachten (mit die Masse des Piloten, die sich an dem Punkt befindet, an dem der "Aufhängegurt" mit dem Segelflugzeug verbunden ist), und notieren Sie das Rolldrehmoment, das durch die seitlichen aerodynamischen Kräfte erzeugt wird, die über dem Schwerpunkt des gesamten Systems wirken.

Bei vielen modernen Hängegleitern ist der "Hängeriemen" des Piloten tatsächlich auf halber Höhe des Königspfostens mit dem Segelflugzeug verbunden, oder bei Segelflugzeugen ohne Königspfosten an einem kleinen Stummel, der einige Zentimeter über dem Kielrohr ragt. In diesem Fall wirkt das Gewicht des Piloten über dem Schwerpunkt des Segelflugzeugs, so dass die Wechselwirkung zwischen den seitlichen aerodynamischen Kräften bei einem Schlupf und der Masse des Piloten ein destabilisierendes „gegen den Wind“-Rolldrehmoment beiträgt – ein „Anti-Pendel“-Effekt . Dies geschieht, um die Manövrierfähigkeit zu erhöhen. Hängegleiter erfahren aufgrund des ungünstigen Gierens beim Rollen einen erheblichen Seitenschlupf, so dass eine übermäßige "effektive V-Form" - die bei Vorhandensein eines Seitenschlupfes ein übermäßiges Rolldrehmoment "gegen den Wind" beiträgt - sehr unerwünscht ist und die erreichbare Rollrate stark begrenzt.

Beachten Sie, dass der möwenförmige Flügel, den wir bei vielen Hängegleitern sehen – insbesondere im Hinblick auf die Hinterkante – dem inneren Teil des Flügels eine zweiflächige Geometrie und dem äußeren Teil des Flügels eine anhedrische Geometrie verleiht. Selbst wenn das Nettoergebnis in Bezug auf einen reinen Dieder-Effekt null ist – was der Fall sein kann oder nicht – erhöht diese Art von Design die Gesamtfläche des Oberflächenbereichs, der dem seitlichen Luftstrom während eines Seitenschlupfs ausgesetzt ist. Daher wird die seitliche aerodynamische Kraftkomponente während eines Schlupfes bei einem solchen Design größer sein als bei einem vollständig flachen Flügel. Dies lässt sich wahrscheinlich am besten als eine unbeabsichtigte Folge einer Flügelform beschreiben, die sich aus anderen Gründen entwickelt hat. Bei einigen älteren Hängegleitern, die wesentlich mehr Segel "wogen" hatten - mehr "Bogen" zur Hinterkante - als die heutigen Designs,

Wie oben erwähnt, ist die Beziehung zwischen Querneigungswinkel, Wenden und Rutschen komplex. Es wird teilweise durch den erhöhten Widerstand angetrieben, den die Außenbordflügelspitze aufgrund ihrer höheren Fluggeschwindigkeit beim Wendeflug erfährt. Es ist ein Irrtum zu glauben, dass Schräglagen automatisch einen Schlupf erzeugen, nur weil das Gewicht jetzt eine seitliche Komponente im Bezugssystem des Flugzeugs hat. Es ist auch ein Missverständnis zu glauben, dass die Schräglage automatisch einen Schlupf erzeugt, nur weil der Auftriebsvektor jetzt relativ zur Erde geneigt ist und der Auftriebsvektor des Flügels jetzt eine horizontale Komponente hat – das gilt für jede Schräglage, rutschend oder nicht. Manchmal kann die Gierrotationsträgheit eine signifikante, wenn auch vorübergehende Rolle beim Verursachen von Seitenschlupf spielen. Im eigentlichen Flug Bei vielen Flugzeugen (einschließlich Hängegleitern) können wir beobachten, dass der Schlupf überwiegend durch die Rollrate und in viel geringerem Maße durch die Gierrate gesteuert wird. Ein Beispiel für einen Fall, in dem wir oft einen erheblichen Seitenschlupf ohne Rollrate sehen können, ist, wenn wir mit einem Querneigungswinkel von 90 Grad ohne Seitenrudereingabe über die Spitze eines Wingovers fliegen. Eine vollständige Untersuchung, welche Manöver genau mit Seitenschlupf verbunden sind und in welchem ​​​​Umfang und warum, geht weit über den Rahmen dieser Antwort hinaus.