Wie funktioniert ein Flugzeugleitwerk?

Bei herkömmlichen Designs besteht das Leitwerk aus zwei Teilen: dem horizontalen Leitwerk und dem vertikalen Leitwerk. Sie spielen eine Rolle bei der Trimmung und der Manövrierfähigkeit des Flugzeugs, jedoch auf unterschiedlichen Ebenen. Das horizontale Leitwerk wird hauptsächlich für die Längsstabilität (und Trimmung) verwendet, während die vertikalen Leitwerke für die seitliche Stabilität (und Trimmung) verwendet werden.

Über Stabilität

Von Stabilität kann erst gesprochen werden, nachdem ein Gleichgewichtspunkt definiert wurde, um den herum die Stabilität untersucht wird. Ein Flugzeug befindet sich im Gleichgewicht, wenn die auftretenden Kräfte und Momente ausgeglichen sind. Unter Verwendung eines einfachen Modells für die Längsschnittanalyse kann es in drei Beziehungen zerlegt werden, die als Trimmgleichungen bezeichnet werden. Der Einfachheit halber wird hier angenommen, dass der Anstellwinkel und der Flugbahnwinkel Null sind. (Beachten Sie, dass die gleiche Argumentation mit Werten ungleich Null erreicht werden kann, aber die Gleichungen dann ziemlich chaotisch werden.)

Längsgleichgewicht

Diese drei Gleichungen lauten:

wo$L$ist der Gesamthub,$mg$ist das Gewicht des Flugzeugs,$T$ist der Schub,$D$ist das Ziehen und$M$ist das Nickmoment um den Schwerpunkt des Flugzeugs. Die zweite Gleichung wird nicht weiter untersucht, da sie nicht hilft, die Rolle des horizontalen Leitwerks und seinen Einfluss zu verstehen. Wenn man sich das folgende Bild ansieht, kann man sehen, dass normalerweise der Schwerpunkt und der Punkt, an dem der Auftrieb wirkt (als aerodynamisches Zentrum bezeichnet), nicht identisch sind. Dies bedeutet, dass der vom Flügel erzeugte Auftrieb ein induziertes Moment um den Schwerpunkt herum erzeugt, das man zu dem bereits intrinsischen Nickmoment aufgrund des Hauptflügels hinzufügen sollte (normalerweise ein Nickmoment nach unten für herkömmliche Tragflächen).

Mit diesem Wissen ist es möglich, die beiden interessierenden Gleichungen einschließlich der Beiträge des Hauptflügels und des horizontalen Leitwerks neu zu schreiben.

Aus diesen Gleichungen und der Figur geht hervor, dass das horizontale Leitwerk verwendet wird, um einen Auftrieb zu erzeugen, der ein Moment induziert, das hilft, das Momentengleichgewicht auszugleichen und somit zu verhindern, dass sich das Flugzeug um sich selbst dreht (in Nickrichtung).

Nachteil und Lösung

Sowohl aus der Abbildung als auch aus den Gleichungen geht hervor, dass der Auftriebsbeitrag des Hecks normalerweise negativ ist, was bedeutet, dass mehr Auftrieb vom Hauptflügel benötigt wird, um ein getrimmtes (oder ausgeglichenes) Flugzeug zu halten. Dieser Nachteil kann stattdessen durch die Verwendung einer Canard-Konfiguration überwunden werden.

Seitliche Stabilität

Dasselbe kann für das seitliche Gleichgewicht und die Stabilität getan werden, aber dort wird das Seitenleitwerk verwendet. Es ist symmetrisch, so dass kein Gieren hervorgerufen wird, und wenn eine gewisse Seitenkraft auftritt, erzeugt es ein Moment, um den Seitenschlupfwinkel zu verringern.

Vergleich des vom Heck- und Hauptflügel erzeugten Auftriebs

Bei einer getrimmten Konfiguration ist leicht zu erkennen, dass der vom Hauptflügel erzeugte Auftrieb mehr oder weniger der vom Heck erzeugte Auftrieb plus dem Gesamtgewicht des Flugzeugs ist, was eine Vorstellung von der Differenz zwischen den beiden Kräften gibt.

An den vorhandenen Antworten ist nichts wirklich auszusetzen, aber ich habe das Gefühl, dass sie nicht wirklich zum Kern des Problems vordringen. Aber es ist eigentlich gar nicht so kompliziert ...

Für die statische Längsstabilität ist lediglich ein geringerer Auftrieb pro Fläche am Höhenleitwerk als am Flügel erforderlich. Abtrieb am Heck hilft, weil dann der Auftrieb am Heck natürlich geringer ist als am Flügel, aber nicht nötig. Entscheidend ist, dass die relative Auftriebsänderung an der hinteren Auftriebsfläche aufgrund einer Anstellwinkeländerung des gesamten Flugzeugs größer ist als die relative Auftriebsänderung an der vorderen Auftriebsfläche. Der Mechanismus ist derselbe für herkömmliche Konfigurationen, Canards oder sogar fliegende Flügel.

Angenommen, das Flugzeug fliegt im Anstellwinkel$\alpha_1$und wird durch eine Böe oder eine plötzliche Steuereingabe gestört, so dass es einen höheren Anstellwinkel annimmt$\alpha_2$. Durch Wölbung und eine höhere Anstellung ist die Auftriebskurve des Flügels (blaue Linie) gegenüber der des Leitwerks (grüne Linie) nach oben verschoben. Außerdem reduzieren der Downwash-Effekt und das niedrigere Streckungsverhältnis die Steigung der Auftriebskurve des Hecks relativ zu der des Flügels.

Nehmen wir nun an, dass das Flugzeug in Zustand 1 so getrimmt wurde, dass das Moment des kleinen Heckauftriebs gleich dem Moment des viel größeren Flügelauftriebs um den Schwerpunkt war. Im Zustand 2 ist die absolute Auftriebsänderung ∆L am Flügel relativ zum Auftrieb im Zustand 1 viel kleiner als am Heck, so dass die resultierende Momentenänderung ein Nickmoment erzeugt. Dasselbe passiert bei einer Verringerung des Anstellwinkels im Zustand 2, nur umgekehrt.

Wenn die Auftriebsverhältnisse für Flügel und Leitwerk gleich wären, würde sich das Momentengleichgewicht zwischen Zustand 1 und Zustand 2 nicht ändern. Da aber das Leitwerk eine höhere relative Auftriebsänderung erfährt, folgt eine Momentenänderung, die der Anstellwinkeländerung entgegenwirkt .

Dieser Effekt funktioniert auch bei einem Canard, bei dem der Auftrieb pro Fläche am Vorderflugzeug größer sein muss als der Auftrieb pro Fläche am Flügel. Für einen Nurflügler muss der Auftrieb pro Fläche des vorderen Teils des Flügels größer sein als der des hinteren Teils des Flügels, und dennoch ist statische Stabilität möglich.

Ein Flügel mit herkömmlichem Flügelprofil trägt negativ zur Längsstabilität bei. Dies bedeutet, dass jede Störung (z. B. eine Böe), die die Nase anhebt, ein Nickmoment erzeugt, das die Nase tendenziell weiter anhebt. Mit der gleichen Störung erzeugt das Vorhandensein eines Leitwerks ein wiederherstellendes Nickmoment mit der Nase nach unten, das der natürlichen Instabilität des Flügels entgegenwirken und das Flugzeug in Längsrichtung stabil machen kann (ähnlich wie eine Windfahne immer in den Wind zeigt). (Von der Wikipedia-Seite zu Leitwerken)

Das Höhenleitwerk erzeugt keinen Auftrieb. Man könnte sagen, es erzeugt einen „negativen Auftrieb“. Der Grund, warum viele frühe Flieger getötet wurden, liegt darin, dass die Leitwerke einen Auftrieb erzeugten, um dem Flugzeug beim Fliegen zu helfen, was zu einem nicht behebbaren Abwürgen des Leitwerks mit der Nase nach oben führen würde. Die meisten modernen Flugzeuge sind so konstruiert, dass, wenn der Luftstrom abnimmt, die Wirkung/der Impuls, der von der Heckoberfläche erzeugt wird, verringert wird, um den zuvor erwähnten Zustand zu verhindern

Die Flügel (die einen Tragflächenquerschnitt haben) erzeugen Auftrieb (im Grunde eine Kraft, die dem Gewicht entgegengesetzt wirkt), die in einem Abstand vom Schwerpunkt (CG) wirken, sodass die Kraft als Kraft und Moment (im Uhrzeigersinn) auf den CG übertragen wird ), die zu einer Nickbewegung führen

Um dieses Moment auszugleichen, wird das Heck verwendet, um den Auftrieb des Hecks zu erzeugen (gering im Vergleich zu dem, der von den Flügeln erzeugt wird). Wenn wir also eine Kraft und ein Moment auf den Schwerpunkt übertragen (da es weniger Auftrieb erzeugt, sollte es weit vom Schwerpunkt entfernt platziert werden), wirkt dieses Moment gegen den Uhrzeigersinn Richtung, wodurch das Moment aufgrund von Flügeln neutralisiert wird ... Dadurch wird das Flugzeug stabil ...

Der Absolutwert des vom Höhenleitwerk erzeugten Auftriebs variiert und hängt von der Phase ab, in der sich Ihr Flugzeug gerade befindet:

Start (Klappen ausgefahren): hohe Drift
Steigflug (keine Klappen): meist Auftrieb (wenig)
Reiseflug (keine Klappen): Drift
Landung (Klappen ausgefahren): hohe Drift

Aufgrund des Treibstoffverbrauchs verringert sich das Gewicht des Flugzeugs während des Flugs. Dies kann die Position Ihres Schwerpunkts verändern und dies wirkt sich wiederum auf den absoluten Wert Ihres Auftriebs/Drifts aus. Normalerweise |Drift| Mit anderen Worten, während des Fluges nimmt der Auftrieb des Höhenleitwerks ab.

Einige Worte zur Stabilität: Denken Sie nur an das Gleichgewicht der Momente.
Der Schwerpunkt liegt in der Nähe des Hauptflügels. Der hohe Auftrieb des Hauptflügels ist sehr nah an der Kogge, die Drift des Höhenleitwerks eher weit davon entfernt. Die Summe aller Momente ist gleich Null, sie balancieren das Flugzeug bei Böen etc.