Wenn Sie abbiegen, richtet sich ein Flugzeug nicht von selbst aus (wie es ein Auto bis zu einem gewissen Grad tut). Sind Querruder so konstruiert, dass sie in jeder Position bleiben, in der sie platziert sind, oder ist dies einfach ein Nebenprodukt der Aerodynamik?
Ich denke, es ist ein bisschen von beidem – für die meisten Flugzeuge ist das Verhalten in einer Kurve ein Nebenprodukt ihrer konstruierten aerodynamischen Eigenschaften. Diese Frage ist eigentlich recht komplex zu beantworten. Nehmen wir an, Sie sprechen von einem einfachen Leichtflugzeug, bei dem die Steuerflächen mechanisch mit den Steuerungen verbunden sind, die sie bewegen – dies stellt sicher, dass alles, was Sie fühlen, mit dem zusammenhängt, was mit dem Flugzeug passiert, und nicht unbedingt mit etwas Komplexerem (wie z ein Fly-by-Wire-Computer oder ein hydraulisches Gestänge mit einem gewissen Grad an Hysterese).
Flugzeugdrehungen werden zumindest von der CAA und der FAA (siehe Flugzeugflughandbuch der FAA, Kapitel 3 ) in drei Hauptkategorien unterteilt:
Sehen wir uns diese etwas genauer an, mit einer Erklärung, warum diese Effekte auftreten.
Flache Kurven.Diese neigen dazu, mit fortschreitender Kurve weniger steil zu werden, und die meisten Flugzeuge haben eine natürliche Tendenz, den Querneigungswinkel während der Kurve zu verringern. Diese Tendenz, den Querneigungswinkel zu verringern, ergibt sich meiner Meinung nach ausschließlich aus einem aerodynamischen Merkmal des Flugzeugs, um Seitenstabilität zu haben. Da flache Querneigungswinkel im Wesentlichen eine Situation sind, die nur eine kleine Störung beim Geradeaus- und Horizontalfliegen ist, ist es wünschenswert, dass der Querneigungswinkel auf Null zurückgeht, wenn er in Ruhe gelassen wird. Ist dies nicht der Fall, muss die Flugzeugstabilität aktiv durch ständiges Manipulieren der Steuerflächen aufrechterhalten werden (was für einen Menschen ermüdend oder unmöglich ist). Diese Stabilität kann durch Konstruktionsmerkmale erreicht werden, wie (i) die V-Form der Flügel des Flugzeugs, (ii) ihre Pfeilung und (iii) ihre Höhenposition – wenn hoch, um die Flügel wieder aufrecht zu "ziehen". Der einzige Zweck jeder V-Form des Flügels – der Winkel, den sie mit der Horizontalen bilden – besteht darin, die seitliche Stabilität zu verbessern. Wenn eine Störung dazu führt, dass ein Flügel abfällt, erzeugt die resultierende (unausgeglichene) Kraft einen Seitenschlupf in Richtung des nach unten gerichteten Flügels. Tatsächlich ist dies analog zum "Erzeugen" eines Luftstroms in der entgegengesetzten Richtung zum Schlupf. Dieser Luftstrom trifft auf den unteren Flügel in einem größeren Anstellwinkel als auf den oberen Flügel. Der untere Flügel erhält dadurch mehr Auftrieb und das Flugzeug rollt zurück in seine neutrale Position. Viele kleine Flugzeuge haben einen leichten Grad an V-Form an den Flügeln. Ein ähnlicher Effekt tritt bei (ii) Pfeilflügeln auf – wenn eine Störung dazu führt, dass ein Flugzeug mit Pfeilflügeln rutscht oder einen Flügel fallen lässt, Der niedrige Flügel zeigt seine Vorderkante in einem Winkel, der fast senkrecht zum relativen Luftstrom steht. Dadurch erhält der niedrige Flügel mehr Auftrieb, steigt auf und das Flugzeug wird in seine ursprüngliche Fluglage zurückversetzt. Abgesehen davon, dass Sie nicht wirklich bemerken, dass Sie sich in einer flachen Kurve befinden, abgesehen von der Tatsache, dass Sie ständig ein wenig Steuerknüppel und Ruder anwenden. Die -Laden ist minimal.
Mittlere Kurven . In diesem Fall befindet sich das Flugzeug in einem metastabilen Zustand – es wird mit einem konstanten Querneigungswinkel weiterfliegen, aber ein „Schub“ zu einer Seite wird dazu führen, dass die Querneigung entsprechend zunimmt oder abnimmt. Zu diesem Zeitpunkt , und der äußere Flügel erzeugt wirklich viel mehr Auftrieb als der andere - und somit würden Sie bewirken, dass der Querneigungswinkel zunimmt, wenn er das Flugzeug in den Kreis zieht. Die oben diskutierten Wirkungen gelten jedoch immer noch und liefern eine wirksame Rückstellkraft zurück in die normale Lage. In einer mittleren Kurve sind Flugzeuge so konstruiert, dass diese Kräfte ausgeglichen sind, und in der Praxis benötigen Sie oft wenig bis gar kein Querruder und fast kein Seitenruder, um in einem leichten Flugzeug eine koordinierte mittlere Kurve zu fahren. Wenn es richtig getrimmt ist, können Sie Ihre Hände von den Bedienelementen nehmen und fröhlich im Kreis herumfahren. Abhängig von Ihrer Geschwindigkeit, die -Laden ist offensichtlich, aber nicht großartig.
Steile Kurven. Zu diesem Zeitpunkt erzeugt ein Flügel fast keinen Auftrieb und der andere ziemlich viel. Wir sind über den vorgesehenen Stabilitätspunkt einer mittleren Kurve hinausgegangen, und der Querneigungswinkel nimmt tendenziell zu, wenn der äußere Flügel das Flugzeug in Richtung seiner Drehachse zieht. Diese Art von Kurven erfordert aktiv den Einsatz des Piloten, um einen konstanten Querneigungswinkel aufrechtzuerhalten, und kann je nach Geschwindigkeit körperlich ziemlich harte Arbeit sein. Die -Belastung der Flügel ist signifikant, und da die Strömungsabrissgeschwindigkeit eines Flugzeugs ungefähr mit der Quadratwurzel von zunimmt Mit erfahrenem Faktor ist es durchaus möglich, hier einen beschleunigten Strömungsabriss oder gar einen Trudel einzulegen. Sie bemerken den Querneigungswinkel und spüren die seltsame Fluglage des Flugzeugs. Dieses Phänomen wird als Overbanking-Tendenz bezeichnet.
Alle Steuerflächen sind so konstruiert, dass sie in eine neutrale Position zurückkehren, wenn keine Steuerkraft ausgeübt wird. Dies ist Teil der Zertifizierungsanforderungen für jedes Flugzeug. JAR 23.177(d) lautet:
Bei geradem, stetigem Schieben bei 1,2 VS1 für alle Fahrwerks- und Klappenpositionen und für alle symmetrischen Leistungsbedingungen bis zu 50 % der maximalen Dauerleistung müssen die Querruder- und Seitenrudersteuerbewegungen und -kräfte stetig zunehmen (jedoch nicht notwendigerweise in konstantem Verhältnis ), wenn der Schiebewinkel bis zu dem für den Flugzeugtyp geeigneten Höchstwert erhöht wird. Bei größeren Schiebewinkeln bis zu dem Winkel, bei dem die volle Seiten- oder Querrudersteuerung verwendet wird oder eine Steuerkraftgrenze gemäß JAR 23.143 erreicht wird, dürfen sich die Quer- und Seitenrudersteuerbewegungen und -kräfte nicht umkehren, wenn der Schiebewinkel erhöht wird. (…)
Beachten Sie, dass das Flugzeug, wenn Sie die Querruder in einer ausgelenkten Position halten, die Rollgeschwindigkeit erhöht, bis ein Gleichgewicht mit der Rolldämpfung erreicht ist . Um einen gewünschten Querneigungswinkel beizubehalten, muss der Pilot die Rollbewegung aktiv stoppen, indem er die Querruder kurzzeitig gegen die Rolle ausschlägt. Dies unterscheidet sich vom Lenken eines Autos, bei dem der Lenkwinkel proportional zur Wendegeschwindigkeit ist.
Da die Querruder nahe an ihrer Vorderkante angelenkt sind, werden sie von den aerodynamischen Kräften in die Richtung der lokalen Strömung "verwittert". Durch Auswählen einer Gelenklinie und Bemessen des Teils der Steuerfläche vor der Gelenklinie kann der Flugzeugkonstrukteur die Steuerkräfte maßschneidern, so dass sie bei allen Geschwindigkeiten positiv sind, aber niedrig genug, um den Piloten nicht zu ermüden. Gerade für Querruder wurden viele ausgeklügelte Lösungen erprobt , und erst der Einsatz von Hydraulik hat diese Kunstform der Ingenieurskunst in den letzten Jahrzehnten verkümmern lassen.
Lassen Sie mich nicht damit anfangen, wie genau Sie die Rollstabkräfte anpassen können - dies wird ein Beitrag, der viel länger sein wird als alles, was ich hier zuvor geschrieben habe.
Wie und warum sich ein Flugzeug beim Kurvenflug aufrichten kann oder nicht, wird in dieser Frage ausführlich diskutiert .
Flugzeuge können so konstruiert werden, dass sie um jede ihrer Achsen aerodynamisch stabil sind: Nicken, Rollen und Gieren.
Die meisten Flugzeuge (außer modernen Jägern) sind so konstruiert, dass sie aerodynamisch stabil in Neigung (eigentlich im Anstellwinkel) und Gierung sind. Das aerodynamisch stabile Gestalten des Flugzeugs sowohl beim Gieren als auch beim Rollen verursacht jedoch eine unbequeme holländische Rolloszillation. Daher sind sie nur geringfügig rollstabil ausgelegt, was dazu führt, dass flache Böschungen ohne Piloteneingabe langsam korrigiert werden, größere Querneigungswinkel jedoch mit der Zeit zunehmen.
Es ist ein Nebenprodukt der Aerodynamik.
Ein konstanter Querruderausschlag ergibt ein konstantes Rollmoment. Ein konstantes Rollmoment ungleich Null ergibt eine zunehmende Rollrate.
Während einer Kurve möchten Sie eine konstante Querneigung, keine Geschwindigkeit und noch weniger eine Geschwindigkeitsbeschleunigung.
Um einen konstanten Querneigungswinkel zu erreichen, benötigen Sie nach einer Kurve nur einen minimalen Querruderausschlag (der Betrag hängt von der Drehrichtung ab, wenn Sie ein asymmetrisches Flugzeug wie einen einzelnen Propeller oder einen Zwilling mit gleichlaufenden Triebwerken haben).
Die benötigte Durchbiegung wird auch durch die Anhedr/Dieder des Flügels beeinflusst: Eine Dieder zum Beispiel gibt Ihnen ein Rollmoment, das dazu neigt, das Flugzeug auszurichten, die Querruder müssen gerade genug ausgelenkt werden, um diesen Moment auszugleichen mit einem gleichen und einem entgegengesetzten.
Um in eine Kurve einzufahren und sie zu verlassen, benötigen Sie einen größeren Querruderausschlag, weil Sie Ihre Querlage ändern möchten, Sie möchten dann ein Nettorollmoment ungleich Null haben (für einen relativ kurzen Zeitraum).