Wie wird ein Flügel konstruiert, um Stall- oder Spin-Proof zu sein?

Es sind wirklich zwei getrennte Fragen. In beiden Fällen ist der Flügel nicht allein, es ist die gesamte Konfiguration, besonders wenn es um Spin geht.

Ein Stillstand ist unvermeidlich. Irgendwann beginnt sich der Luftstrom über dem Flügel zu trennen, und wenn diese Strömungstrennung groß genug ist, um die Erhöhung des Auftriebs mit zunehmendem Anstellwinkel (AoA) zu begrenzen, bleibt der Flügel stehen.

Um die Strömungsabrisseigenschaften gut zu machen, sollte der äußere Flügel immer noch eine größtenteils angebrachte Strömung haben, damit die Querruder den Rollwinkel korrigieren können. Wenn der Strömungsabriss an einer Flügelspitze beginnt und einen lokalen Auftriebsverlust verursacht, rollt das Flugzeug unkontrolliert. Die Abwärtsbewegung der Flügelspitze während der Rollbewegung erhöht den Anstellwinkel weiter, wodurch der Strömungsabriss nicht wiederhergestellt werden kann. Sie erreichen eine Rollkontrolle durch Auswaschen an den Flügelspitzen und/oder durch die Verwendung von Profilen mit einer höheren maximalen AoA, z. B. durch Verwendung von Vorflügeln am Außenflügel.

Die zweite Bedingung ist eine allmähliche Strömungsablösung, ausgehend von der Hinterkante. Alte fünfstellige NACA-Profile hatten eine unangenehme Stall-Charakteristik mit Strömungsablösung von der Vorderkante, was zu einem plötzlichen Abfall des Auftriebs führte. Dies wird erreicht, indem die obere Fläche mit einer geeigneten Druckverteilung in Sehnenrichtung gestaltet wird. Dann wird der Auftriebsverlust über AoA allmählich sein, was dem Piloten die Möglichkeit gibt, sich leicht zu erholen.

In allen Fällen muss das Heck (oder bei Canards der Hauptflügel) im angeschlossenen Strömungsregime bleiben, um die Nicksteuerung und Nickdämpfung zu ermöglichen. Darüber hinaus sollte die vertikale Position des Leitwerks etwas niedriger sein als das Kielwasser der abgetrennten Strömung, immer noch nahe genug, damit einige Turbulenzen auf das Höhenruder treffen (so dass der Pilot den Strömungsabriss mit dem Steuerknüppel / Steuerhorn spürt), aber niedrig genug dafür Das Flugzeug tritt nicht in einen tiefen Strömungsabriss ein (bei dem der Flügel vollständig getrennt ist und das Heck hinter dem Flügel liegt, wodurch die Kontrollbefugnis bis zu einem Punkt verringert wird, an dem der Pilot nicht mehr herunterfallen kann).

Das Drehen erfordert einen Rumpf mit etwas Masse entlang der Länge. Die Rotation dieser Masse bei hoher AoA erzeugt ein Pitch-up-Moment, das zur Stabilisierung des Spins benötigt wird. Das Heck muss in der Lage sein, das verbleibende Nickmoment und ein Giermoment zu erzeugen, um das Trudeln zu stabilisieren, aber auch, um es zu beenden, wenn der Pilot dies wünscht. Dabei ist es wichtig, dass das Seitenruder nicht im Kielwasser des Höhenleitwerks liegt. Die deHavilland Tiger Moth hat zwei Aluminiumleisten vor dem Leitwerk; ohne sie ist ein Stall nicht behebbar, da die Ruderautorität nicht ausreicht. Um ein Trudeln in der F-14 zu beenden , mussten die allfliegenden Höhenleitwerke ganz auf ihren Mindestwinkel von -70° gezogen werden, damit sie die Strömung zu den beiden Rudern nicht behindern. Erst wenn die Piloten ziehen würden, könnten sie das Trudeln beenden.

Nur um das klarzustellen: Normalerweise müssen Sie drücken, um die Drehung zu beenden. Besonders bei Segelflugzeugen mit ihren relativ kleinen Seitenrudern und großer Flügelträgheit bringt dies den größten Teil des Flügels zurück in den normalen Strömungsbereich, und die Rolldämpfung stoppt die Drehung. Dies beendet das Trägheitsaufrichten vom Rumpf und das Flugzeug kann geborgen werden.

In stärker rumpfdominierten Konfigurationen beenden Sie das Trudeln, indem Sie das Seitenruder entgegen der Trudelrichtung anlegen. Dies reduziert die Drehung, reduziert die Trägheitsneigung und ermöglicht es dem Flugzeug, sich auf normale AoAs zu erholen.

Abgesehen vom Strömungsabriss ist ein Trudeln nicht immer möglich. Manchmal, insbesondere an Positionen mit vorderem Schwerpunkt, reicht die Pitch-Autorität nicht aus, um den Spin zu stabilisieren. Sie können das Seitenruder abwürgen und anwenden, aber das Flugzeug wird nur in eine Steilspirale eintreten. Besonders bei Jets ist der vordere Rumpf ein wesentlicher Faktor beim Trudeln, da er bei hoher AoA einen Nachlauf erzeugt, der den Trudel stabilisiert. Details in der Form des Rumpfes bestimmen, ob das Kielwasser ausreicht, um Drehungen zu ermöglichen. Dies ist ein komplexes Thema - sorry, aber dieser Umfang macht es schwierig, auf mehr Details einzugehen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein kleines Flugzeug so zu konstruieren, dass es widerstandsfähig gegen Strömungsabriss und Trudeln ist. Beide Fälle sind insofern ähnlich, als sie beide Fälle beinhalten, in denen die Steuerung des Flugzeugs unwirksam gemacht wird und ein Stall zu einem Trudeln führen kann, wenn es nicht richtig korrigiert wird. Während ein Strömungsabriss sicherlich weitgehend von der Tragfläche des Flugzeugs abhängt, hängen sowohl Strömungsabriss als auch Trudeln auch von der Geometrie des gesamten Flugzeugs ab.

Hier gibt es einige interessante Informationen über Spins und Stalls. Wikipedia hat auch einen guten Artikel über Drehungen . Es gibt FAA-Anforderungen für einmotorige Flugzeuge in FAR 23.221 .

Um die Kontrolle in einem Strömungsabriss zu behalten, können Geräte wie Vortex-Generatoren vor den Querrudern installiert werden. Wenn sich der Luftstrom vor den Querrudern von der Tragfläche löst, strömt die Luft nicht mehr über die Ruder und es kommt zu einem Kontrollverlust. Die Wirbelgeneratoren helfen der Strömung, an den Querrudern vorbei zu bleiben, und helfen ihnen, bei hohen Anstellwinkeln effektiv zu bleiben.

Neben Wirbelgeneratoren kann auch der Flügel selbst für einen ähnlichen Effekt ausgelegt werden. Die inneren Sektionen können so konstruiert werden, dass sie vor den äußeren Sektionen abwürgen, sodass der Auftrieb abnimmt, aber die äußeren Sektionen immer noch Auftrieb und Kontrolle bieten.

Das Flugzeug kann auch so konstruiert sein, dass das Höhenruder nicht genug Autorität hat, um das Flugzeug vollständig abzuwürgen, oder nicht weiter als die Querruder noch Autorität haben. Die Wirkung des Höhenruders hängt auch vom Schwerpunkt des Flugzeugs ab, der einen empfohlenen Bereich hat, aber vom Bediener bestimmt wird.

Ein Trudeln hängt mit der Geometrie des Flugzeugs zusammen, bei dem der Luftstrom am Flügel vorbei die Heckflächen "auslöscht". Diese Geometrie kann so angeordnet werden, dass es schwieriger wäre, Drallbedingungen zu erzeugen. Herkömmliche Flugzeugkonstruktionen neigen jedoch dazu, inhärent dafür anfällig zu sein. Die meisten Flugzeuge sind als "spin wiederherstellbar" zertifiziert, was bedeutet, dass das Flugzeug sich dreht, aber der Pilot sollte in der Lage sein, eine Drehung mit den richtigen Steuereingaben zu stoppen. Die Verbesserung der Strömungsabrisseigenschaften des Flugzeugs wird auch dazu beitragen, das Auftreten von Trudeln zu verhindern.

Vielleicht möchten Sie sich das Spin-Forschungsprogramm der NASA ansehen , das treffend als „Spin-Off“ bezeichnet wird. Es gibt irgendwo im Internet ein vollständiges Dokument, das ich poste, wenn ich es finde. Die aus der Forschung gewonnenen Erkenntnisse flossen tatsächlich in neuere Designs ein.

Die Ercoupe wurde als Sicherheitsflugzeug gebaut, das nicht abwürgen oder drehen konnte, aber es gab mehrere Abstürze, an denen das Flugzeug beteiligt war, wie Unfallaufzeichnungen zeigen.