Statische Stabilität

ist die Tendenz eines Systems, nach einer Störung in seinen Ausgangszustand zurückzukehren. Typische Störungen bei Flugzeugen sind:

• Fliegen in eine vertikale oder horizontale Böe
• Ein Ruck auf den Stock

Die klassische Erklärung ist mit einem Ball, der in einer Grube sitzt. Immer wenn seine Position durch eine Störung verändert wird, rollt er zurück zur Mitte. Das heißt aber nicht, dass es dort stehen bleibt – in einer idealen Welt ohne Reibung bewegt es sich wie ein Pendel hin und her.

Das ist statische Stabilität. Allgemein gesagt wird die statische Stabilität dadurch erreicht, dass der Schwerpunkt vor dem neutralen Punkt liegt, dem Punkt, in dem alle zusätzlichen Kräfte aufgrund einer Änderung des Anstellwinkels zusammengefasst werden können. Es gibt zwei neutrale Punkte, einen für die Längsstabilität und einen für die Richtungsstabilität. In beiden Fällen erzeugt die Änderung des Anstellwinkels oder des Seitenschlupfs ein korrigierendes Moment um den Schwerpunkt herum und zieht das Flugzeug auf seinen alten Weg zurück.

Sogar Höhenstabilität kann erreicht werden, aber hier machen wir uns die Tatsache zunutze, dass die Luft dichter wird, je höher man steigt. Wenn das Flugzeug in einer bestimmten Höhe für den Horizontalflug getrimmt ist, bedeutet eine Höhenänderung, dass die Leistungseinstellung nicht mehr dem Luftwiderstand in dieser neuen Höhe entspricht. Je nach Höhenänderung steigt oder sinkt das Flugzeug, bis die alte Höhe wieder erreicht ist.

In allen Fällen treten Überschwinger und Schwingungen um den Trimmpunkt herum auf. Es kann sogar vorkommen, dass diese Überschwinger umso stärker werden, je länger die Schwingung andauert (die phugoide Bewegung in einem Segelflugzeug ist ein gutes Beispiel). Um die Schwingungen zu stoppen, müssen Sie hinzufügen

Dynamische Stabilität

die das Verhalten des Flugzeugs über die Zeit beschreibt. In den meisten Fällen sorgt Reibung dafür, dass Bewegungen abklingen, und manchmal brauchen Flugzeuge kleine Helfer wie Gierdämpfer , um diese in den Griff zu bekommen.

Sie erwähnen Strömungsabrisse und Tauchgänge: Sie können in einem statisch stabilen Flugzeug durchaus vorkommen. Geringer Luftwiderstand bedeutet geringe Dämpfung, daher haben viele Hochleistungsgleiter eine dynamisch instabile phugoide Bewegung. Ich weiß, Wikipedia schreibt das falsch, aber die Erklärung ist in Ordnung, also habe ich es trotzdem verlinkt. Wenn Sie nach einer anfänglichen Störung lange genug warten, werden die Schwingungen so stark, dass das Flugzeug am höchsten Punkt des Zyklus stehen bleibt.

Wenn Sie genügend Höhe halten und kein Verkehr in der Nähe ist, macht es Spaß, dies zu versuchen.

Spiralsprung

Beachten Sie, dass ich es bisher versäumt habe, etwas zur Rollstabilität zu sagen. Das Segelflugzeug (und Ihre Cessna 172) beginnt ebenfalls zu rollen, und in vielen Fällen nimmt die Rollbewegung schneller zu als beim Phugoid, sodass Sie es möglicherweise mehrmals versuchen müssen, bevor Sie einen durch Phugoid verursachten Strömungsabriss bekommen. Die meisten Flugzeuge haben eine schwache Tendenz, den Rollwinkel zu erhöhen und schließlich in eine Steilspirale zu geraten .

Es gibt keinen aerodynamischen Mechanismus, um das Flugzeug nach einer Rollstörung wieder aufzurichten. Tut mir leid, @kevin, aber die Dieder hilft nicht - es funktioniert nur bei Seitenschlupf.

Ihre Vermutungen sind ziemlich richtig - ein "aerodynamisch stabiles" Flugzeug bleibt (relativ) gerade und eben, wenn die Steuerung losgelassen wird.

Tonhöhe

Nehmen wir an, das Höhenruder des Flugzeugs ist auf Flughöhe getrimmt (bei gleichbleibender Höhe). Sie drücken auf das Joch, um die Nase zu senken, und lassen dann den Druck auf die Steuerung los. Die Höhe mit der Nase nach unten ermöglicht es dem Flugzeug, mehr Geschwindigkeit aufzunehmen. Mit zunehmender Geschwindigkeit erzeugt der Flügel mehr Auftrieb und das Flugzeug neigt sich langsam nach oben. Wenn Sie am Steuerhorn ziehen und dann loslassen, verlangsamt die Nase nach oben das Flugzeug, wodurch der Auftrieb verringert wird. Wenn der Auftrieb reduziert wird, senkt sich die Nase und nimmt an Geschwindigkeit zu. Ein ähnliches Argument gilt, wenn die Neigung des Flugzeugs durch eine Böe verändert wird.

Diese Stabilität wird Längsstabilität genannt . Es ist eng mit der vorderen/hinteren Position des Schwerpunkts (CG) verbunden. Ein Flugzeug mit einem hinteren Schwerpunkt hat eine geringere Längsstabilität.

Rollen

In ähnlicher Weise wird die Fähigkeit des Flugzeugs, seine Flügel in Querlage auszurichten, als Seitenstabilität bezeichnet . Wenn Sie das Flugzeug um 10 Grad nach rechts rollen und dann loslassen, neigt es dazu, langsam nach links zu rollen, 7 Grad nach rechts, 5 Grad nach rechts und schließlich fast waagerecht zu sein.

Ein Flügel-Dieder ist ein Design, das seitliche Stabilität hinzufügt.

Gieren

Dies wird Richtungsstabilität genannt . Ähnlich wie Nicken und Rollen ist es die Tendenz eines Flugzeugs, sich von einer Störung in der Gierebene zu erholen.

Stabilität vs. Wendigkeit

Je stabiler ein Flugzeug ist, desto weniger manövrierfähig. Dies ist ein natürlicher Kompromiss, der den Gesetzen der Physik folgt. Cessna 172 sind sehr stabil und für Flugschüler geeignet. Aber Sie können eine Cessna 172 nicht dazu bringen, sehr schnelle Änderungen vorzunehmen. Kunstflugzeuge und Kampfjets können sehr schnell auf Piloteneingaben reagieren, aber die Steuerung erfordert viel mehr Geschick.

*Bei einmotorigen Propellerflugzeugen wie der Cessna 172 neigt das Drehmoment, das den Propeller dreht ( normalerweise im Uhrzeigersinn ), dazu, das Flugzeug gegen den Uhrzeigersinn (dh nach links) zu rollen, wenn die Steuerung vollständig losgelassen wird. Dies liegt an dem physikalischen Prinzip „Aktion und Reaktion“.