Warum sind die Steuerungen von Flugzeugen der Transportkategorie viel schwerer als von Leichtflugzeugen?

Jeder, der von einem leichten GA-Flugzeug auf ein großes Turbofan-Flugzeug umgestiegen ist, wird den Unterschied bemerken: Die Steuersäule eines großen Flugzeugs ist viel schwerer. Während es noch in den Grenzen eines gesunden Erwachsenen liegt, ist eine erheblich größere Kraft erforderlich, um die Bedienelemente zu bewegen.

Warum ist das? Ist das beabsichtigt oder nur ein Nebenprodukt der mechanischen Verbindungen der frühen Tage? Airbus hat gezeigt, dass selbst bei Verkehrsflugzeugen die Steuerung so leicht wie ein einfacher Joystick sein kann. Warum können sich die Bedienelemente einer Boeing 747 nicht so anfühlen wie eine Cessna 172?

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Die Steuerkräfte sind konstruktionsbedingt vorhanden. Alle Verkehrsflugzeuge haben ein künstliches Kraftgefühl von Federn, Dämpfern usw. Eine B747 fliegt viel schneller durch die Lüfte als eine Cessna 172 und schlimme Dinge könnten passieren, wenn es einfach wäre, die Flugsteuerungen bei M 0,85 auszulenken.

Der Aufzug B737 ist ein gutes Beispiel dafür. Es hat ein Q-Gefühl (künstliches Gefühl), das durch eine Federvorrichtung bereitgestellt wird, und die Federgradienten versteifen sich als Funktion der Fluggeschwindigkeit. Bei höheren Geschwindigkeiten ist es ziemlich schwierig, die Säule durch Drücken/Ziehen auszulenken, und viel einfacher, den Trimmknopf zu verwenden, um die Neigung zu steuern. Für die Kontrollkräfte des Level-D-Simulators haben wir die Kräfte gemessen, die erforderlich sind, um die Säule vollständig auszulenken, wenn sie in die mittlere Position getrimmt ist, was sich als ernsthafte Bodybuilding-Übung herausstellte:

  • Etwa 200 N bei Fluggeschwindigkeit Null
  • Etwa 500 N bei 400 Knoten 20.000 ft. (Messung am Boden mit am Staurohr befestigtem Druckschlauch und Flugzeug auf Wagenhebern mit eingefahrenem Fahrwerk).

Im Gegensatz dazu sind Hubschrauberflugsteuerungen leicht, da Hubschrauber von Natur aus instabil sind und viel Steuerknüppelbewegung erforderlich ist, insbesondere beim Schweben. Bei den meisten Helikoptern können die Gefühlskräfte mit dem Trimmknopf komplett abgeschaltet werden, was zu einem sehr leichten Steuerknüppel führt, vollkommen in Ordnung mit dem relativ gutmütigen Ansprechverhalten des Helikopters.

Aber eine 747 ist eine stabile Flugzeugzelle. Ein schnelles Flugzeug mit großen Steuerausschlägen führt zu hohen Beschleunigungen, die zu vom Piloten verursachten Schwingungen oder strukturellen Schäden an der Flugzeugzelle führen können.

Die beiden Messungen der B737-Steuersäule, digitalisiert aus den Originalplots und im gleichen Maßstab: Säulenposition auf der x-Achse, Kraft auf der y-Achse. Konstruktionsbedingt beträgt die zum vollständigen Auslenken der Säule aus etwa der Mittelstellung erforderliche Kraft etwa 40 lbf bei null Knoten, 100 lbf bei 400 Knoten. Dies stammt von einem künstlichen Q-Feel-System und das Gefühl wird durch Design implementiert. Der vertikale Abstand zwischen den Seiten der Kurve wird durch Reibung verursacht.

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Bei 0 Knoten:

  • Beachten Sie, dass der Federgradient etwa in der Mitte sehr steil ist: der Ausbruch, um die neutrale Position anzuzeigen.
  • Dann zwischen 0 und 5 Zoll eine Federsteigung von 4 lbf/Zoll.
  • Jenseits von 5 Zoll ein relativ flacher Gradient, um es nicht zu schwierig zu machen, die Säule vollständig abzulenken.

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Bei 400 Knoten: Es wird schwierig, die Kolonne vollständig abzulenken. 100 lbf ziehen aus einer sitzenden Position ist nichts zu verachten.

Einheitenumrechnung: 200 N sind etwa 45 lbs, 500 N sind etwa 110 lbs.
Ich bin neugierig, ob 400 Knoten angezeigt werden oder wahre Fluggeschwindigkeit? Bei 400 KIAS wäre eine B737 zerfallen...
@kevin Die Messungen wurden am Boden durchgeführt, mit einem Messset mit einem an der Säule befestigten Positions- und Kraftaufnehmer. Am Staurohr war ein Druckschlauch angebracht: 400 KIAS. Und dann ein ununterbrochenes, kontinuierliches, langsames Schwenken des Steuerhebels, ausgehend von Neutral, langsam bis zum vorderen Anschlag drücken, langsam loslassen, dann in den hinteren Anschlag ziehen, dann wieder langsam loslassen. Das Diagramm zeigt die Steuerkraft über der Position und zeigt die Federgradienten, Reibung, Weggrenzen und Kabelsteifigkeit.
Ergänzend zu dem, was @TannerSwett oben geschrieben hat, ist es für diejenigen von uns, die eher an SI-Einheiten gewöhnt sind, aber nicht unbedingt ein intuitives Verständnis von Newton haben, oft nahe genug, um einfach zu sagen, dass 10 N = 1 kgf, also teilen Sie Kräfte in Newton durch 10 und Sie erhalten die äquivalente Kraft in kgf. Ich gebe als erster zu, dass dies keine perfekte Äquivalenz ist, aber wenn Sie keine wissenschaftliche oder detaillierte technische Arbeit schreiben, ist es für die meisten Zwecke gut genug. Der genaue Wert beträgt 9,80665 Newton pro kgf.
@ TannerSwett-Korrektur: Pfund Kraft (lbf), nicht Pfund (lb). Ersteres ist Kraft, letzteres Masse.
Die meisten Menschen wissen nicht, dass die meisten Flugzeuge sehr nahe an Mach 1 fliegen, aber nicht darüber hinaus
@slebetman: Die meisten Leute auf Aviation.SE tun das.
Ist das künstliche Gefühl der 737 im manuellen Umkehrflug noch aktiv (wo die aerodynamischen Belastungen, die durch den Luftstrom über die Steuerflächen auf die ausgelenkten Querruder- und Höhenruder-Servolaschen ausgeübt werden, dazu führen, dass sich die Steuerungen mit zunehmender Fluggeschwindigkeit von selbst versteifen), wo die künstliches Gefühl wäre (bestenfalls) überflüssig und würde (schlimmstenfalls) die Steuerbarkeit des Flugzeugs beeinträchtigen, indem die Auslenkung der Flugsteuerung übermäßig begrenzt wird?
@ Sean, wenn die gesamte Hydraulikleistung ausgeschaltet ist, sind die künstlichen Q-Feel-Kräfte Null. Es kommt zu erhöhter Reibung und direkter Rückmeldung der Aerokräfte über die Steuerflächen.
Jenseits von 5 Zoll bei 0 kt würde ein flacherer Gradient laut Diagramm eher eine leichtere Bewegung als eine härtere Bewegung verursachen. Sie erhalten mehr Durchbiegung bei gleicher Kraftzunahme. Diese Diagramme sind jedoch etwas seltsam. Normalerweise sollte der Kraftgradient nahe der vollen Auslenkung (steilerer Gradient) zunehmen, um eine Überbeanspruchung des Flugzeugs durch geringere Steuersäulenkräfte zu vermeiden.

Ergänzung zu Koyovis 'Antwort. Bei einem Airbus entspricht die Steuerknüppelbewegung nicht der Ruderauslenkung.

Der Steuerknüppel befiehlt einen Belastungsfaktor / eine Rollrate für das Nicken/Rollen. Je schneller also das Flugzeug, desto kleiner werden die Auslenkungen bei gleicher Steuerknüppelbewegung.

Die Obergrenzen für den Knüppelstopp des Airbus A320 betragen +2,5/-1 g (Nick) und 15°/s (Rollen) in sauberer Konfiguration.

Angenommen, Sie sprechen natürlich von einem A320 oder höher - der A300/310 verwendet ein herkömmliches Steuerjoch, das die Oberflächenauslenkung auf die gleiche Weise wie ein normales Flugzeug steuert. Unter der Annahme, dass Sie vom Normalgesetz sprechen - wenn sich die Flugsteuerung vom Normalgesetz über das Alternate-1-, -2A- und -2B-Gesetz zum Direktgesetz verschlechtert, wechselt der Joystick schrittweise von der Steuerung der Nick- / Rollraten zur Steuerung des Höhenruders / Querruderausschläge. (Im mechanischen Gesetz ist der Joystick inert und das Flugzeug wird mit dem Seitenruder und der horizontalen Stabilisatortrimmung gesteuert.)
Warum sind die Steuerungen von Flugzeugen der Transportkategorie viel schwerer als von Leichtflugzeugen?
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