Was ist der Kieleffekt?

Was ist der Kieleffekt und wie entsteht er? Ist es dasselbe wie Pendeleffekt oder existiert es nicht?

Das Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledege der FAA enthält eine Erklärung, die besagt:

Ein Flugzeug hat immer die Tendenz, die Längsachse des Flugzeugs in den Fahrtwind zu drehen. Diese "Wetterfahnen"-Tendenz ähnelt dem Schiffskiel und übt seitlich um die Längsachse einen stabilisierenden Einfluß auf das Flugzeug aus. Wenn ein Flugzeug gestört wird und ein Flügel eintaucht, wirkt das Rumpfgewicht als Pendel, das das Flugzeug in seine ursprüngliche Lage zurückbringt

Ich weiß, ich möchte meine eigene Frage beantworten, aber ist diese Erklärung ganz richtig? Denn in dieser Frage wird gesagt, dass es das vielleicht gar nicht gibt oder es etwas anderes bedeutet.

Ja das ist richtig. Sie können dies demonstrieren, indem Sie im Geradeausflug ein Seitenruder einschlagen und dann die Pedale loslassen. Das Flugzeug richtet sich von selbst aus.
Das einzige, was ich an der Erklärung falsch sehe, ist, dass sie von einem Hochdecker ausgeht. Tiefdecker haben nicht so viel "aufrichtende" Tendenz wie Hochdecker, daher wird der "Pendel"-Effekt verringert, aber der "Kiel"- oder Wetter-Vaning-Effekt ist immer noch vorhanden.
@RonBeyer nicht ganz, die Diederkonfiguration (falls vorhanden) trägt zu diesem Effekt in Tiefdeckerflugzeugen bei.
@falstro Ja, abhängig vom Grad der Dieder-Effekte, wie stark der Effekt ist, aber ich würde sagen, dass es in einem Hochflügel stärker ist, nachdem ich beide selbst geflogen bin. Der Tiefflügel, den ich normalerweise fliege, erfordert etwas mehr entgegengesetztes Querruder, um zu kommen hinten, wo die Hochflügel sind, ist es eher eine Entspannung auf den Kontrollen in die Kurve.
Verwandte, (insbesondere für Tiefdecker ).
Bezieht sich das Zitat auf eine Drehung um die Längsachse (nicken oder gieren) oder auf eine Drehung um die Längsachse (rollen)?
@RonBeyer Wurde entschieden, ob der "Pendeleffekt" real ist oder nicht? Darüber scheint es einige Meinungsverschiedenheiten zu geben. Ich kann es im Moment nicht finden, aber ich bin mir sicher, dass Peter Kämpf schon einmal damit begonnen hat, dass es keinen passiven aerodynamischen Weg gibt, ein Flugzeug um die Rollachse zu richten

Antworten (1)

Laut der Kieleffektseite auf Wikipedia ist es das Rollmoment, das durch den Rumpf und die vertikalen Oberflächen bei einem Seitenschlupf erzeugt wird, wenn der Druckmittelpunkt vertikal vom Schwerpunkt versetzt ist.

Funktionen eines Kiels

Der Kiel eines Schiffes (neben der Verlagerung des Schwerpunkts unter das Metazentrum ) sorgt für eine stabilisierende Seitenkraft, wenn das Schiff rollt. Dasselbe wird durch eine Leitwerksfläche erreicht, aber in der Luftfahrt wird dies als Rolldämpfung bezeichnet . Der viel größere Flügel neigt dazu, die Rolldämpfung zu dominieren, sodass die Wirkung der vertikalen Oberfläche gering ist.

Die nächste Aufgabe des Kiels besteht darin, die Seitenkräfte und das Rollmoment der Segel bei Seitenwind auszugleichen. Dies geschieht, indem das Boot einen Seitenschlupfzustand aufbauen lässt, bis die Seitenkraft von Kiel und Rumpf die Seitenkraft von den Segeln ausgleicht und das Rollmoment von der Seitenkraft und von der Krängung das Rollmoment von den Segeln ausgleicht. Der Kieleffekt ist dieses Rollmoment aufgrund eines Seitenschlupfzustands.

Einige Flugzeuge mit sehr kleinen Flügeln und großen vertikalen Flächen leiden tatsächlich unter übermäßigen Momenten, die durch seitliche Belastungen auf diesen vertikalen Flächen erzeugt werden. Der bekannteste davon ist wahrscheinlich der Lockheed F-104 Starfighter . Das massive Heck am hochgezogenen hinteren Rumpf machte 10 ° Anhedral erforderlich, um das durch den Seitenschlupf verursachte Rollmoment richtig zu machen.

Pendeleffekt

Die Wikipedia-Seite erwähnt auch den Pendeleffekt und nennt sowohl den Rumpfbeitrag zum Diedereffekt. Mann, wenn es jemals einen Wettbewerb um den irreführendsten Namen eines Effekts geben sollte, wäre dies der Siegerbeitrag.

Ein Pendel ist eine Masse, die unterhalb des Drehpunkts oder des Metazentrums montiert ist , sodass es sich in der unteren Position stabilisiert. Es scheint, dass die Anhänger des Pendeleffekt-Glaubens glauben, dass das Flugzeug irgendwie in der Mitte des Flügels angelenkt ist. Das ist so falsch! Ein fliegendes Flugzeug ist nicht angelenkt , daher findet die gesamte Bewegung um den Schwerpunkt herum statt.

Bei Luftschiffen ist das anders: Wie @JanHudec in den Kommentaren betont, arbeitet der Auftrieb des Traggases immer gegen die Schwerkraft, während der Auftrieb eines Flügels senkrecht zu seiner Spannweite und der Fluggeschwindigkeit wirkt. Dies erzeugt einen Moment, in dem das Luftschiff rollt und die schwere Gondel durch denselben Effekt nach unten gezogen wird, der ein Pendel nach unten zieht. Aufgrund der geringen Dichte eines Luftschiffs (per Definition sehr nahe an der Dichte der Luft, die es verdrängt) sind die aerodynamischen Seitenkräfte auf ein Luftschiff im Vergleich zu den Trägheitskräften viel größer. Dadurch kann das Luftschiff effektiv um einen Punkt in der Nähe der Mitte der Hülle schwenken. Beachten Sie, dass Luftschiffe keine Mittel zur Rollkontrolle haben - es ist nur die Schwerkraft, die dafür sorgt, dass die Gondel auf der unteren Seite des Rumpfes bleibt.

Jetzt kann man argumentieren, dass das gleiche für Flugzeuge gilt, nur mit viel geringeren aerodynamischen Kräften. Ja, aber diese Seitenkräfte sind verschwindend gering im Vergleich zu den aerodynamischen Kräften des Flügels, die wiederum definitionsgemäß nahe am Gewicht des Flugzeugs liegen. Eine kleine Änderung dort wird das Bild komplett dominieren, und die kleinen Belastungen am Rumpf sind nur ein Rundungsfehler. Durch Verschieben der Steuerflächen kann der Pilot den Auftriebsvektor fast beliebig verschieben, und die Kräfte auf den Rumpf sind unbedeutend.

Beachten Sie, dass Messerkantenflug , eine Situation, in der die Seitenkraft auf den Rumpf wirklich nahe am Gewicht des Flugzeugs liegt, viel Rumpffläche und einen leistungsstarken Motor benötigt. Rumpflasten im Normalflug sind ein Bruchteil derer im Messerkantenflug.

Es scheint, als ob ich mich erinnere, dass Sie einmal gesagt haben, dass es keinen passiven aerodynamischen Weg gibt, ein Flugzeug nach einer Störung wieder auf Flügelhöhe zu bringen. Wollen Sie damit im Grunde sagen, dass die Effekte, die das bewirken sollen, einfach zu unbedeutend sind, um eine wirkliche Wirkung zu haben?
@TomMcW: Nein, das wollte ich sicherlich nicht sagen. Wenn Sie keinen Seitenschlupf haben, gibt es in der Tat keine passive aerodynamische Möglichkeit, das Flugzeug aufzurichten. Wir sprechen hier von einem Seitenschlupf, und das führt normalerweise zu einem Rollmoment, aber das muss nicht in Aufrichtrichtung sein. Wenn das Flugzeug den linken Flügel nach unten neigt und die Nase nach links giert, wird es durch den Seitenschlupf weiter nach links rollen.
Ich glaube, der Hauptunterschied zum Luftschiff besteht darin, dass der Auftrieb im Auftriebszentrum immer nach oben wirkt . Wenn der Schwerpunkt also nicht direkt darunter liegt, verschieben sich die Auftriebs- und Gewichtskräfte seitlich, ohne die Richtung zu ändern, wodurch ein wiederherstellendes Rollmoment entsteht ähnlich wie ein Scharnier funktioniert. Aber der dynamische Auftrieb ist immer senkrecht zum Flügel, sodass kein Moment allein durch Querneigung erzeugt wird.
@JanHudec: Ja, das stimmt, und dieses Detail habe ich total übersehen. Ich werde die Antwort bearbeiten.
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