Warum sind Hochdecker stabiler?

Ein Hochdecker gilt aufgrund des Pendeleffekts als stabiler im Seitenschlupf. Wie erhöht der Pendeleffekt die Stabilität in Hochdeckern?

Bei dieser Frage geht es um die Stabilität des Hochflügels, nicht um Vergleiche zwischen Tief- und Hochflügeldesign. Auch in der Frage, in der es um die Vor- und Nachteile des Hoch- und Tiefflügeldesigns geht, wird die Stabilität aus aerodynamischer Sicht nicht wirklich erklärt Ansicht.

Dies ist kein Duplikat der verknüpften Frage: Dort wird angegeben, dass die Stabilität ein Vorteil ist, es fehlen jedoch Details, die erklären, woher die Stabilität kommt.
Ich bin bei @Federico, die Frage ist verwandt, aber das ist kein Dupe.
@PeterKämpf Pendeleffekt wird auch Kieleffekt genannt. Ich weiß nicht viel darüber, aber das Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge der FAA enthält ein Kapitel über die Aerodynamik des Fluges, in dem sie den Kieleffekt erklären.
Ich fliege sowohl Hochdecker-Cessnas als auch Tiefdecker-Piper. Ich finde die Tiefdecker insgesamt viel stabiler, und die Flugzeugbesitzer stimmen zu.
@kepler22b: Entweder meint der FAA-Autor etwas anderes, oder er/sie hat keine Ahnung. Wenn Sie wissen möchten, was dieser "Kieleffekt" wirklich ist, stellen Sie eine neue Frage und versuchen Sie, den Abschnitt aus dem Handbuch zu zitieren. Ich werde gerne darüber diskutieren.
Ok. Ich werde eine andere Frage stellen

Antworten (3)

Sind sie wirklich?

Bei einem Hochdecker liegt der Auftriebsschwerpunkt über dem Schwerpunkt. Dies wird die Stabilität nicht erhöhen, wenn das Flugzeug in Querlage ist, aber, wie Sie zu Recht sagen, wird es helfen, wenn das Flugzeug in einem Seitenschlupf ist. Um den Rumpf schräg zum Luftstrom zu halten, muss der Flügel nun eine seitliche Auftriebskomponente erzeugen, was er tut, indem er schräg zur Horizontalen fliegt. Dieser Rollwinkel des Flugzeugs verschiebt den Schwerpunkt seitlich, sodass er nicht genau unter dem Auftriebsmittelpunkt liegt, sondern seitlich versetzt. Dieser seitliche Versatz scheint ein Rollmoment zu erzeugen, das dem Rollwinkel entgegenwirkt.

Unten habe ich die Hauptkräfte in einem Ausrutscher skizziert. Beachten Sie, dass das Flugzeug eine seitliche Geschwindigkeitskomponente hat, die eine Seitenkraft auf Rumpf und Heck (grün) erzeugt, der durch die seitliche Auftriebskomponente (blau) entgegengewirkt werden muss.

Kurzer Sandringham im Seitenschlupf

Kurzer Sandringham im Seitenrutsch (basierend auf dieser Quelle )

Aber das Gewicht (schwarz) greift immer noch am Schwerpunkt an, sodass das Flugzeug nicht rollt, und der Auftrieb befindet sich in der vertikalen Symmetrieebene, sodass auch er kein Rollmoment erzeugt. Ergo haben wir durch die hohe Flügellage keine stabilisierende Wirkung!

Bei einem Seitenschlupf eines Hochdeckers erfährt die luvseitige Flügelwurzel einen leicht erhöhten Anstellwinkel, während die leeseitige Flügelwurzel aufgrund der Querströmung um den Rumpf einen verringerten Anstellwinkel erfährt . Dies würde in der Tat ein Rollmoment erzeugen, da es das Auftriebszentrum seitwärts aus der Symmetrieebene verschieben würde. Bei einem statischen Seitenschlupf lenkt der Pilot die Querruder aus, um den Rollwinkel sowie das Seitenruder beizubehalten, um den Seitenschlupf beizubehalten, wodurch der Auftriebsvektor zurück in die vertikale Symmetrieebene verschoben wird. Nun wird die stabilisierende Wirkung der Auftriebsasymmetrie bewusst vom Piloten aufgehoben!

Dies wird jedoch in einem Tiefdecker durch Hinzufügen einer V-Form erreicht. Daher kann ein Tiefdecker leicht so stabil gemacht werden wie ein Hochdecker bei einem Seitenschlupf.

Sie werden feststellen, dass die seitliche aerodynamische Kraft (grün) oberhalb des Schwerpunkts wirkt und auch ein korrigierendes Rollmoment erzeugt . Dies wird durch die Lage des Seitenleitwerks bestimmt, das wenig zur Lage des Schwerpunkts beiträgt, aber einen erheblichen Anteil an der Seitenkraft erzeugt (im Schiebefall jedoch durch Seitenruderausschlag reduziert). Dieses Rollmoment ist jedoch nahezu unabhängig von der Flügelposition. Bei einem niedrigen Flügel wird der Schwerpunkt insgesamt niedriger sein, insbesondere wenn die Motoren auf dem Flügel montiert sind, sodass der Rollmomentbeitrag des Seitenleitwerks etwas höher ist. Bei einem Seitenschlupf ist der Effekt gering, da durch den Seitenruderausschlag der Rumpf den Großteil der Seitenkraft beisteuert. Und das ist nicht der Pendeleffektwonach Sie gefragt haben und welches nicht existiert .

Bei Luftschiffen ist der Pendeleffekt jedoch real : Da der Auftrieb immer gegen die Schwerkraft wirkt, erzeugt ein seitlicher Versatz der schweren Gondel wie bei einem Pendel ein aufrichtendes Moment. Beim Wenden wird die schwere Gondel durch Fliehkräfte seitlich gezogen und das Luftschiff rollt. Da die Drehung mit dem Seitenruder befohlen wird, verleiht die Drehung dem Seitenruder ein kleines Moment nach unten, das durch einen Höhenruderbefehl mit der Nase nach oben kompensiert werden muss. Der Pendeleffekt sorgt dafür, dass sich die Gondel im Geradeausflug am tiefsten Punkt befindet.

PS: Dank des Hinweises von @kepler22b habe ich jetzt die Kieleffektseite auf Wikipedia entdeckt. Es 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 Gelenkpunkts montiert ist, sodass es sich in der unteren Position stabilisiert. Ein fliegendes Flugzeug ist nicht gelenkig , sodass alle Bewegungen um den Schwerpunkt herum stattfinden. Es gibt einfach keinen Pendeleffekt in Flugzeugen.

Gute Antwort, aber ich habe eine Frage. Wenn ich mir Ihr Bild anschaue und mir diese Situation für einen niedrigen Flügel vorstelle, führt dies zu derselben Seitenkraft und demselben Auftrieb, aber dann an einer niedrigeren Stelle. Daher erzeugen sowohl die seitliche Komponente des Auftriebs als auch die Seitenkraft ein Moment im Uhrzeigersinn. Beim Hochflügel heben sich diese gegenseitig auf, beim Tiefflügel addieren sie sich. Ist das nicht ein Unterschied zwischen Hoch- und Tiefdecker?
@ROIMaison: Das seitliche Druckzentrum ist nicht dort, wo sich der Flügel befindet, sondern wird durch Rumpf und Seitenleitwerk bestimmt. Im Beispiel ist es sehr nahe an der Flügelhöhe (das Seitenleitwerk zeigt schließlich nach oben), aber das wird sich bei einer niedrigen Flügelposition nicht ändern. Ja, es erzeugt ein rollendes Moment, wie in dieser Antwort besprochen
@ROIMaison: Der Pilot stellt sicher, dass der Auftriebsvektor in der vertikalen Symmetrieebene bleibt (durch Auslenken der Querruder), sodass unabhängig von der Flügelposition kein Rollmoment vom Auftriebsvektor ausgeht .
Was passiert, wenn ich mich entscheide, nur das Seitenruder zu verwenden, um eine Wende durchzuführen, und nicht die Querruder? Ihre Antwort scheint diesen Aspekt der Stabilität nicht anzusprechen.
@JonathanWalters ... weil sowohl die Frage als auch meine Antwort das Seitenrutschen betreffen, nicht das Drehen. Fühlen Sie sich frei zu fragen, und ich werde auch zu diesem Aspekt eine Antwort schreiben. Hinweis: Vieles hängt davon ab c l β des jeweiligen Designs.
Meinetwegen. Die Frage erwähnt ausdrücklich den Schlupf, aber die umfassendere Frage betrifft sowohl Schlupf als auch Kufen. Ich vermute, wenn ich diese Frage stellen würde, würde sie als Super von dieser geschlossen werden.
@JonathanWalters: Habe gerade schnell nach "Wie ohne Querruder drehen" gesucht. Die drei Ergebnisse lagen weit daneben - ich denke, diese Frage wäre wirklich neu und sollte diese Seite bereichern. Beachten Sie, dass wir einige Fragen zur Steuerung von Flugzeugen nach Ausfällen haben, aber wenn Sie nach der Physik und den unbeabsichtigten Folgen von Nur-Ruder-Drehungen fragen, sollte die Frage nicht als Duplikat gekennzeichnet werden.
Bedeutet das also, dass eine Gondel klappbar ist , weil sie eine Pendelwirkung hat?
@RyanMortensen: Bitte erkläre, warum eine Gondel einen Pendeleffekt hat! Und welche Gondel? Die Motorgondel eines Luftschiffs? Dieser hat eine Pendelwirkung, ist aber nicht klappbar. Ein venezianisches Boot ? Auch nicht klappbar, und es wird dadurch stabilisiert, dass der Schwerpunkt unterhalb des Metazentrums liegt. Auch kein Pendeleffekt.
@PeterKämpf danke! Ich dachte, dass ein Pendeleffekt nur mit Scharnier möglich ist. Hätte ein Flugzeug keinen Pendeleffekt, selbst wenn Sie den Schwerpunkt auf ein lächerliches Extrem senken und es in eine viel steilere Querneigung bringen würden, als in Ihrem Diagramm gezeigt?
@RyanMortensen Nicht solange die Wende koordiniert ist. Dann zeigt die Verbindung zum Gewicht direkt gegen die Auftriebskraft, sodass kein Moment entsteht. Sobald Sie das Gewicht seitlich versetzt haben, dann ja, dann haben Sie einen Moment Zeit. Dies wird in Hängegleitern zur Gewichtsverlagerungskontrolle verwendet. Hängegleiter sollten der von Ihnen vorgeschlagenen Konfiguration am nächsten kommen, und der Pilot wird das Gewicht sein.
@RyanMortensen: Der vermeintliche Pendeleffekt erfordert, dass das gesamte Flugzeug wie ein Pendel wirkt und in der Mitte des Flügels angelenkt ist. Das ist eindeutig ein logischer Fehlschluss. Sie scheinen zu denken, dass es ein Gewicht erfordert, das sich als Teil des Flugzeugs um ein Scharnier drehen kann, ein echtes Pendel. Das denken die Anhänger des Pendeleffekt-Mythos nicht.
@PeterKämpf ist es nicht das, was sie denken? Wenn es bei dem Mythos des Pendeleffekts nicht um einen Scharnierpunkt geht, was denken die Leute dann, was passiert? PS Ich glaube, ich habe es jetzt verstanden. Betrachten sie den Schwerpunkt als das Scharnier und den Auftrieb als das "Gewicht", das eine Art umgedrehtes Pendel ist?
@RyanMortensen: Es ist noch schlimmer: So wie ich es verstehe, denken sie, dass die Flügelwurzel das Scharnier ist. Das Gewicht ist der Schwerpunkt, und wenn es unter der Tragfläche liegt, soll dies das Flugzeug stabilisieren und aus einem Rollwinkel ziehen.
@PeterKämpf Vielleicht eine andere Möglichkeit, dies zu erklären (oder es für einige Leute zum Klicken zu bringen), besteht darin, zu sagen, dass der CG ein Scharnierpunkt ist und dass der CG auch das Pendelgewicht ist , aber sie sind zusammen angeordnet, daher die Arm ist null und das Moment ist daher auch null, egal wie groß das Gewicht ist oder wo sich der Schwerpunkt befindet.
@RyanMortensen: Ja, du hast recht. Aber solche Memes sind schwer zu töten. Denken Sie nur an das Mem "Spitzenwirbel verursachen induzierten Widerstand". Als würde man sagen, dass nasse Straßen Regen verursachen. Die richtigste Erklärung wäre: Das frei fliegende Flugzeug ist überhaupt nicht gelenkig und alle Rotationen finden um den Schwerpunkt herum statt. Dann tritt Ihr Kollokationspunkt ein.
@ROIMaison Wenn Sie möchten, schauen Sie sich meine Antwort an, die versucht, es einfach zu erklären
@PeterKämpf Bitte beachten Sie "Pendeleffekt" Aviation.stackexchange.com/questions/53437/…
Um dem Kampf eine weitere Stimme hinzuzufügen, hat Peter absolut recht. Der Pendeleffekt ist fiktiv. Tatsächlich ist „Gewicht“ tatsächlich auch fiktiv, wie Ihnen jeder mit einer vorübergehenden Vertrautheit mit Einsteins allgemeiner Theorie bestätigen wird. Die Kraft der "Schwerkraft" ist nur eine fiktive Abstraktion, da wir unsere Analyse in einem beschleunigten Bezugsrahmen (der Erde) durchführen. Genau so, als ob wir den Flug eines Flugzeugs in einer riesigen, mit Luft gefüllten Kiste im Weltraum untersuchen würden, das von einer riesigen Rakete auf dem Boden mit 1 "G" nach oben beschleunigt wird.

Um einen einfachen Eindruck davon zu bekommen, können wir uns vorstellen, dass, wenn ein Hochdecker seitlich nach rechts rutscht, wie in der Abbildung gezeigt, es einen Hochdruckbereich in der Nähe des Rumpfes unter dem rechten Flügel gibt (Luvflügel, die Richtung, aus der der Wind kommt kommt) und ein Tiefdruckgebiet auf der anderen Seite.

Hochflügelige Stabilität

Dies erhöht den Auftrieb des rechten Flügels und reduziert den Auftrieb des linken Flügels, so dass ein Moment erzeugt wird, das versucht, das Flugzeug in die normale Position zurückzurollen.

Erinnert mich an diese Frage, wo die Lufteinschlüsse durch die Türen eines kleinen Flugzeugs entstehen würden.
Sie haben Recht, ein hoher Flügel trägt zu einem Diedereffekt bei. Aber das ist keine Richtungsstabilität an sich - fügen Sie bei Tiefdeckern mehr Dieder hinzu und beide kommen gleich heraus.

Liebe die Diagramme. Hat ein Fallschirm auch keine Pendelstabilität?

Versuchen Sie, Segelflugzeuge selbst zu bauen. Was man aus Papier, Leim und Balsa lernen kann, ist erstaunlich!

Ja, ein Hochdecker ist pendelstabil, Hängegleiter auch! Tatsächlich eliminiert die Anpassung des Hängegleiters an die (Pendel-)Gewichtsverlagerung die Notwendigkeit von Steuerflächen!

Pendelwirkung kann nicht aerodynamisch beschrieben werden, da es sich nicht um eine aerodynamische Kraft handelt! Dies ist eine hart gelernte Lektion für Leute, die versuchen, einen zu weit hinten liegenden Schwerpunkt „herauszuschneiden“.

Beim Selbstbau von Segelflugzeugen lernt man, dass bei höheren Geschwindigkeiten aerodynamische Kräfte herrschen, aber wenn man langsamer wird, spielt die Gewichtsverteilung mehr und mehr eine Rolle. Bei einem Flugzeug wird der Schwerpunkt im Geradeaus- und Horizontalflug immer versuchen, direkt unter CL zu sein.

Auf dem Flugboot kann es hilfreich sein, die Auftriebskomponenten in die Vertikale und Horizontale herunterzubrechen, um den Punkt zu verdeutlichen. Damit der "Pendeleffekt" funktioniert, wird das Gewicht unter dem Auftriebsmittelpunkt (z. B. Fahrwerk) von direkt unter dem Auftriebsmittelpunkt verlagert. Wenn das Flugzeug rollt, kann sich das Auftriebszentrum in Bezug auf den Schwerpunkt ändern. Leichter zu sehen in einem Hängegleiter oder Luftschiff, aber immer noch in einem Hochdecker vorhanden.

Hängegleiter verlagern ihre Flügel nur relativ zu ihrem Schwerpunkt. Siehe hier für mehr.
@Peter Kampf Ich glaube, diese Diskussion wurde für drehende und nicht drehende Fälle gelöst. Im Fall ohne Drehung führt JEDE Verschiebung des Schwerpunkts direkt unter Clift zu einem Rollmoment, um die Ausrichtung von Auftrieb und Gewicht im Gravitationsfeld wiederherzustellen (wobei „Auftrieb“ als alle nach oben gerichteten Kräfte einschließlich Auftrieb definiert wird). Wendefälle sind in der Tat eine weitere Geschichte, die es wert ist, näher untersucht und nachgedacht zu werden.
@Peter Kampf Nachdem ich viele der schönen Mittelflügel-Segelflugzeugdesigns der 1930er Jahre studiert habe (zu denen auch widerstandsreduzierende Verkleidungen gehörten), kann ich sehen, wie eine ganze Generation von Menschen mit der Schwerpunkttheorie aufgewachsen ist, in der Tat war das ein GUTER Ort, um das zu platzieren Flügel für eine leichte, reaktionsschnelle Rollkontrolle, die auch in großen Verkehrsflugzeugen benötigt wird. Aber leider hält der Flügel oder der Ballon oder der Fallschirm oder der Hängegleiter oder eine Schnur es gegen die Schwerkraft. Das ist Realität.
Warum sind Hochdecker stabiler?
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