Warum haben einige Kampfjets bewegliche Höhenleitwerke anstelle von Aufzügen, die an den Leitwerken installiert sind?

Alle Teile der horizontalen Oberfläche eines Verkehrsflugzeugs bewegen sich, nicht nur der hintere Teil. Der hintere Teil, Aufzug genannt, kann sich viel schneller bewegen und dient zum Manövrieren. Der vordere Teil, der als (trimmbarer) Stabilisator bezeichnet wird, dient zum Trimmen und bewegt sich langsam. Es wird als Reaktion auf Änderungen der Beladung, der Geschwindigkeit oder der Klappeneinstellungen bewegt und positioniert die Leitwerksfläche so, dass nur kleine kontinuierliche Höhenruderauslenkungen erforderlich sind. Es muss nicht schnell gehen – hohe Belastungsfaktoren würden die Passagiere verärgern und die Struktur überlasten.

Wurzel des A330-Backbordleitwerks ( Bildquelle ). Beachten Sie die Markierungen, die den Bereich der vom trimmbaren Stabilisator abgedeckten Einfallswinkel anzeigen.

Vorteile einer Stabilisator-Höhenruder-Konfiguration:

• Wölbung: Die Höhenruderauslenkung verändert die Wölbung des Tragflügels der Leitwerksfläche und macht die Erzeugung der beabsichtigten Auftriebsänderung effizienter . Wenn die Höhenruderauslenkung Abtrieb erzeugen soll, entsteht negativer Sturz und umgekehrt. Dies verringert den Luftwiderstand, der zum Manövrieren des Flugzeugs erzeugt wird.
• Geringere Steuerkräfte: Durch die Bewegung einer kleineren Oberfläche, weniger Hydraulikleistung und bei kleinen Flugzeugen wird weniger Muskelkraft für die gleiche Momentenänderung benötigt als bei einem voll fliegenden Heck oder einer vollständig beweglichen Oberfläche. Macht Sinn, oder?
• Bessere Anpassung der Gelenkmomentableitungen: Zwei Effekte sind wichtig, um die Steuerkräfte richtig einzustellen: Die Änderung des Gelenkmoments über dem Auslenkungswinkel ($c_{r\eta}$) und die Änderung des Scharniermoments über dem Anstellwinkel ($c_{r\alpha}$). Mit Laschen, der richtigen Position des Höhenruderscharniers, der Nasenform und den Steuerhörnern kann beides individuell angepasst werden, während ein voll fliegendes Heck oder eine vollständig bewegliche Oberfläche dem Designer weniger Freiheit gibt, beide unabhängig voneinander zu manipulieren. Beachten Sie, dass voll fliegende Hecks nur mit hydraulischen Steuerungen entstanden sind, da nur diese Systeme die Steuerkräfte aller sich bewegenden Steuerflächen bei hoher Geschwindigkeit bewältigen können.

Hornbalance und Überhangbalance auf Steuerflächen ( Bildquelle )

Vorteile einer voll fliegenden Leitwerksfläche

• Durch die Vermeidung eines Konturbruchs aufgrund eines Klappenausschlags können alle beweglichen Steuerflächen die Stöße vermeiden, die sonst bei hoher Unterschallgeschwindigkeit auftreten würden . Dies ist ihr Hauptvorteil für Kampfflugzeuge.
• Bei Überschallgeschwindigkeit erzeugt die ungekrümmte Oberfläche weniger Luftwiderstand, sodass bei Überschallgeschwindigkeit die sich vollständig bewegende Steuerfläche effizienter ist.
• Indem die gesamte Heckfläche mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, erzeugt eine sich vollständig bewegende Steuerfläche die höchstmögliche Momentenänderungsrate im Laufe der Zeit. Um auch die höchste dauerhafte Momentenänderung zu erzeugen, muss sie jedoch größer sein als eine vergleichbare Stabilisator-Höhenruder-Kombination, da sie die Vorteile des variablen Sturzes einbüßt.
• Die sich vollständig bewegende Steuerfläche hat keine Lücken, die Radarreflexionen hinzufügen könnten, was ein unauffälligeres Design ermöglicht.
• Geringerer mechanischer Aufwand. Dies wird etwas durch die Notwendigkeit einer viel kräftigeren Hydraulik ausgeglichen.

Das vollständig bewegliche Höhenleitwerk wird normalerweise als Stabilator (Stabilisator + Höhenruder) oder als vollständig bewegliches Leitwerk oder in einigen Fällen als Leitwerk bezeichnet. Dies wird aus mehreren Gründen hauptsächlich in Kampfflugzeugen verwendet:

• Verbesserte Manövrierfähigkeit. Das vollständig bewegliche Leitwerk bietet eine höhere Manövrierfähigkeit im Vergleich zu dem in Zivilflugzeugen zu findenden Stabilisator + Höhenruder. Grundsätzlich bietet der Stabilisator einen größeren Bereich der Pitch-Steuerung über einen größeren Geschwindigkeitsbereich. Auch der Stabilisator ist ebenfalls um das aerodynamische Zentrum gelenkig angebracht , was für den Betrieb vergleichsweise weniger Steuereingaben vom Piloten erfordert.

" F 22 Raptor Tail Feathers Foto D Ramey Logan " von WPPilot - Eigene Arbeit. Lizenziert unter CC BY-SA 4.0 über Wikimedia Commons .

• Gewicht und Luftwiderstand. Die Stabilisatorkonstruktion ist im Vergleich zum Stabilisator + Höhenruder einfach, da sie praktisch nur eine Platte und keine Steuergestänge im Inneren hat. Das macht es leichter und erzeugt weniger Luftwiderstand.
• Stabilität. Das Stabilatordesign hilft bei der Beseitigung des Mach-Tucks. Mach Tuck ist eine Tendenz nach unten, die auf eine Änderung der Position des Druckzentrums zurückzuführen ist. Dies wird durch eine Rückwärtsbewegung der Stoßwelle verursacht, die in einem Flugzeug im transsonischen Flug auftritt. Wenn das Flugzeug über seine begrenzende Machzahl oder kritische Machzahl (die maximale Machzahl, die es betreiben kann) hinaus beschleunigt, steigt die zur Steuerung des Flugzeugs erforderliche Aufzugsautorität (um einen Tauchgang zu verhindern) über die des Aufzugs hinaus. Das Stabilatordesign verhindert dies.
• Heimlichkeit. Das Stabilisatordesign mit seinen klaren Linien und ohne Unterbrechungen bietet im Vergleich zum Stabilisator- und Höhenruderdesign mehr Tarnung. Das Design kann auch für Stealth mit Kanten usw. optimiert werden.

Einige GA-Flugzeuge verwenden alle beweglichen Leitwerke für zB Piper Cherokee . Es gibt jedoch einige Gründe, warum dieses System normalerweise nicht in Zivilflugzeugen verwendet wird:

• Steuerleistung. Wie bereits erwähnt, ist der Stabilator um das aerodynamische Zentrum herum angelenkt, was bedeutet, dass das erforderliche Moment (und die Pilotenkraft) konstant sind. Im Fall von Zivilflugzeugen muss das Flugzeug einen zunehmenden Widerstand gegen eine zunehmende Eingabe des Piloten zeigen. Wenn sie verwendet werden, haben die Stabilisatoren in GA-Flugzeugen eine Anti-Servo-Lasche, um mehr Widerstand zu bieten.

Quelle: avstop.com

• Anforderungen. Bei zivilen Luftfahrzeugen besteht keine Forderung nach höherer Manövrierfähigkeit oder Überschallflug. Im Fall von Concorde wurde das Trimmproblem im Überschallbereich überwunden, indem Kraftstoff zwischen den Kraftstofftanks verschoben wurde, wodurch sich der Schwerpunkt des Flugzeugs änderte.