Sind Kampfjets so konstruiert, dass sie von Natur aus so instabil sind, dass ein Mensch sie nicht ohne fremde Hilfe fliegen kann?

Meine kurze Antwort:

• Die Stabilität wird durch die Verlagerung des Schwerpunkts nach achtern verringert.
• Eine Verschiebung über den neutralen Punkt hinaus macht das Flugzeug instabil, sodass Bewegungen weg vom getrimmten Zustand beschleunigt werden. Dies erhöht die Manövrierfähigkeit.
• Flugcomputer sind mehrfach redundant, fällt einer aus, übernehmen die anderen.
• Langsame instabile Flugzeuge können von einem menschlichen Piloten geflogen werden, aber keine schnellen instabilen Flugzeuge.

Lassen Sie mich für die lange Antwort zunächst die Begriffe klären:

Statische Stabilität ist die Tendenz eines Systems, nach einer Störung in seinen alten Zustand zurückzukehren. Nehmen Sie ein Pendel: Wenn Sie es zur Seite ziehen, kehrt es in die Mitte zurück. Letztlich.

Dynamische Stabilität ist die Tendenz eines schwingenden Systems, die Schwingungen mit der Zeit abzuklingen. Nehmen Sie das gleiche Pendel: Es wird hin und her schwingen, und die Reibung wird dafür sorgen, dass dies mit immer kleinerer Amplitude geschieht.

Jetzt müssen wir Dimensionen hinzufügen, alle drei: Nicken, Rollen und Gieren. Ein Flugzeug kann in einer Dimension stabil und in einer anderen instabil sein. Ich verstehe Ihre Frage so, dass Sie nach der statischen Nickstabilität (oder Längsstabilität) von Kampfflugzeugen fragen.

Der Wright Flyer war in Längsrichtung instabil ( mehr dazu hier ). Als Flugzeugkonstrukteure erfuhren, dass Flugzeuge stabil fliegen können und dass dies für die Pilotenausbildung von immensem Vorteil ist, wurde statische Stabilität zu einer Anforderung für neue Flugzeuge. Als der Krieg in Europa ausbrach, waren die britischen Streitkräfte mit einem hervorragenden Trainingsflugzeug ausgestattet , aber es war so stabil, dass es Mühe und Zeit kostete, es von einem Kurswechsel zu überzeugen. Sie wurden in Scharen niedergeschossen.

Von nun an war eine geringe Stabilität eine Hauptanforderung für Jäger und Kunstflugzeuge. Die statische Stabilität ist proportional zu den Steuerkräften (genauer: zum Scharniermoment der jeweiligen Ruderfläche), so dass die Verringerung der Stabilität dem Piloten bei gleichem Kraftaufwand mehr Reaktion gab. Die statische Längsstabilität wird als relativer Abstand zwischen Neutralpunkt (NP) und Schwerpunkt (CG) gemessen. Siehe hier für mehr. Die statische Längsstabilität wird erreicht, indem der CG vor dem NP platziert wird. Wenn Sie den Schwerpunkt nach hinten verschieben, erhalten Sie ein reaktionsschnelleres Flugzeug, aber auch eines, das leichter von Böen gestört wird.

Dies ist die Designtechnik, nach der Sie gefragt haben. Ziemlich einfach, oder?

Sobald Sie den Schwerpunkt hinter dem NP verschieben, geht die Stabilität verloren und das Flugzeug wird Abweichungen vom getrimmten Zustand verstärken. Dies kann hilfreich sein, wenn Sie schnell große Winkeländerungen wünschen. Ein instabiles Flugzeug braucht nur einen kleinen Tritt und erledigt den Rest des Manövers von alleine.

So hilft es bei der Manövrierfähigkeit. Noch hilfreicher ist es jedoch, die Trägheiten, insbesondere um die Rollachse herum, für ein schnelleres Ansprechverhalten zu reduzieren. Deshalb haben alle Kampfflugzeuge ihre Triebwerke in der Nähe des Zentrums.

Natürlich ist eine negative Stabilität nicht akzeptabel, wenn Sie Ihre Hände vom Steuerknüppel nehmen müssen, um eine Karte herauszuholen oder auf einem langen Flug zu pinkeln. Ohne Computersteuerung war die Grenze also eine CG-Position in der Nähe, aber nicht hinter dem NP.

Bei Überschallflugzeugen wurde es komplizierter. Jetzt arbeitet das Flugzeug in zwei Flugregimen, einem, bei dem der Auftrieb an der Viertelsehne des Flügels wirkt, und einem, bei dem er in der Mitte der Sehne wirkt. Flugzeuge mit geringer statischer Stabilität werden im Überschallflug sehr stabil, und die Leitwerksfläche muss einen hohen Abtrieb erzeugen, damit die Summe aller Auftriebe dort bleibt, wo der Schwerpunkt ist. Das Erzeugen von Auftrieb zieht immer eine Widerstandsstrafe nach sich, und im Überschallflug muss sie zweimal bezahlt werden: Einer für den überschüssigen Auftrieb am Flügel (der benötigt wird, um den Abtrieb des Hecks zu kompensieren) und einer für den Abtrieb am Heck .

Die Verwendung eines Flugsteuerungscomputers bietet die Möglichkeit, dem Piloten zu ermöglichen, den Steuerknüppel loszulassen, ohne dass das Flugzeug vom Kurs abkommt. Jetzt befiehlt der Steuerknüppel nicht die Höhenruderauslenkung, sondern die Nickrate, und der Schwerpunkt kann von vielleicht 12 % des MAC (mittlerer aerodynamischer Akkord) auf -2 % zurückbewegt werden. Wenn Sie die Flügelflächen von stabilen und instabilen Jets vergleichen (Jaguar und Mirage F-1 sind Paradebeispiele), werden Sie sehen, wie viel erreicht wird, wenn Sie mit dem CG um ein paar Prozent der Flügelsehne zurückgehen.

Konventionelle SEPECAT Jaguar- und CCV-Version (Bild aus Ray Whitfords Fundamentals of Fighter Design). Beide Konfigurationen haben die gleiche Flugplatz- und Kampfleistung!

Kann ein Mensch ein solches Flugzeug noch fliegen? Bei Segelflugwettbewerben fliegen die mutigeren Piloten mit entspannter statischer Stabilität und haben kein Problem, das Flugzeug unter Kontrolle zu halten. Sogar die Gebrüder Wright konnten mit ihrem instabilen Flugzeug umgehen, und das Handling verbesserte sich, als sie den Schwerpunkt weiter nach hinten verlegten (Wenn Sie wissen wollen, warum, stellen Sie bitte eine neue Frage. Diese Antwort wird schon zu lang!). Die Geschwindigkeit der Nickreaktion eines Flugzeugs ist jedoch proportional zur Fluggeschwindigkeit (und umgekehrt zum Pitch-Trägheitsmoment), sodass schnellere Flugzeuge schwerer zu kontrollieren sind. Staudruck kann man mit der Steifigkeit einer Feder vergleichen: Eine steifere Feder verschiebt die Eigenfrequenz eines Feder-Masse-Systems nach oben, gleiches gilt für die Eigenwerte der Bewegungsgleichungeneines Flugzeugs. Da die Reaktionszeit eines guten Piloten mindestens 0,1 s beträgt (und mehr, wenn er müde ist), ist es unmöglich, Bewegungen mit Frequenzen von mehr als einigen Hertz entgegenzuwirken. Die Verzögerung bedeutet, dass die Reaktion zu spät kommt und die Bewegung unterstützt. Wie das in der Praxis funktioniert, sehen Sie in diesem YouTube-Clip . Dieser Absturz war auf falsche Signalverstärkungen zurückzuführen, keine klassische Instabilität (schließlich funktionierte der Flugcomputer noch, produzierte aber zu starke Höhenruderausschläge).

Ich wage zu behaupten, dass ein Mensch immer noch kaum einen instabilen Jet bei niedriger Geschwindigkeit fliegen kann (immerhin hat Tom Morgenfeld die YF-22 fast unter Kontrolle bekommen), aber wenn er einmal Gas gibt, wird er immer hinter dem Flugzeug sein, und wird es bald abstürzen.

Größe hilft: Größere Flugzeuge haben niedrigere Eigenfrequenzen und leichte, große Fahrzeuge sind unabhängig von der Stabilität einfach zu kontrollieren. Alle Zeppeline waren völlig instabil in der Gierrichtung und oberhalb der kritischen Fluggeschwindigkeit eines Luftschiffs (bitte fragen Sie erneut nach einer detaillierteren Antwort zu diesem Aspekt), auch in der Neigung, aber mit jeweils einer Person für die vertikalen und horizontalen Steuerflächen und genügend Personen an Bord, um sie nach 2 - 4 Stunden zu drehen, hatte niemand das Bedürfnis, Zeppeline natürlich stabil zu machen.

Wenn ein Computer stirbt, übernehmen die anderen. Die meisten instabilen Konfigurationen haben vier parallele Computer, die ihr Ergebnis gegenprüfen, um Fehlfunktionen zu erkennen. Der Dassault Rafale verwendet nur drei, fügt aber Sicherheit durch clevere Algorithmen zur Überprüfung der Ergebnisse hinzu.

Ja, das erste derartige Flugzeug war die F-16. Es wurde als von Natur aus aerodynamisch instabil konzipiert, was es ihm ermöglicht, im Kampf hervorragend zu reagieren. Möglich wurde dies dadurch, dass es sich um ein Fly-by-Wire-Flugzeug handelt. Die Manövrierfähigkeit wird erhöht, denn per Definition ist es die Fähigkeit, Zustände zu ändern. Stabilität ist der Widerstand gegen Veränderungen. Je stabiler Sie sind, desto schwieriger ist es, sich in einer dynamischen Situation schnell zu drehen/nicken.

Und ja, ein Pilot wäre nicht in der Lage, diese Flugzeuge zu landen, wenn die Fly-by-Wire-Systeme ausfallen würden. Es gibt Fälle, in denen F-16-Piloten ihren Computer verloren haben und aufgrund von vom Piloten verursachten Schwingungen gestorben sind – der Zustand, in dem der Pilot die Instabilität seines Flugzeugs nicht schnell genug korrigiert, um die Kontrolle zu behalten.

Andere solche instabilen Flugzeuge sind die B-2, F-22, F-35, Eurofighter usw. Alle modernen Kampfflugzeuge müssen von Natur aus instabil sein, um wettbewerbsfähig zu sein.

Instabilität in der Steigung verringert den Trimmwiderstand für ein Flugzeug mit Heck. Stabilität bezieht sich auf die relativen Positionen des Auftriebszentrums (cl) und des Schwerpunkts (cg). Wenn der Schwerpunkt vor dem CL (stabil) liegt, kann ein Flugzeug, das ins Stocken gerät, nach vorne fallen, die Geschwindigkeit erhöhen und sich erholen. Wenn cl vor cg liegt, wird dies nicht passieren. Wenn jedoch cl vor cg liegt, erzeugt das Höhenleitwerk Auftrieb. Wenn cg vor cl (instabil) liegt, erzeugt das Höhenleitwerk eine nach unten gerichtete Kraft, die die Effizienz verringert. Bei einem Canard lässt die Stabilität beide Oberflächen Auftrieb erzeugen. Die Canard-Kämpfer neigen jedoch dazu, instabil zu sein, um die Nickrate zu erhöhen und den Überschallwiderstand zu verringern. Bei Überschallgeschwindigkeit bewegt sich cl nach hinten, was bedeutet, dass der Canard einen größeren Teil der Last des Anhebens des Flugzeugs schultern müsste. Da der Canard eine weniger effiziente Auftriebsfläche als der Flügel ist,

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Ich füge hinzu, dass ein Jäger, wenn er in Überschallgeschwindigkeit geht, sowohl für Canards als auch für Tails von instabil zu stabil wechselt.