Warum hat das Verschieben des CG nach hinten im Flugzeug der Wright Brothers die Handhabung verbessert?

Als Antwort auf die Antwort von Peter Kämpf auf diese Frage : Warum hat das Verschieben des Schwerpunkts beim Wright Flyer seine Stabilität verbessert?

Antworten (2)

Es verbesserte nicht die Stabilität, aber die Flugfähigkeit.

Der Wright Flyer hatte den Schwerpunkt hinter dem neutralen Punkt und war instabil in der Neigung. Ein in Längsrichtung instabiles Flugzeug weicht von seinem Trimmpunkt ab und hat, wenn es von einem menschlichen Piloten geflogen wird, eine wellige Flugbahn. Die Wrights nannten dies Wellenform. Es wird durch die Verzögerung in der Reaktion des Piloten und seine Tendenz zur Überkompensation verursacht, sodass das Flugzeug um den Trimmpunkt (= der Anstellwinkel, bei dem alle Momente um die Nickachse im Gleichgewicht sind) oszilliert. Diese Verzögerung ist problematischer, wenn die Eigenfrequenz der Bewegung höher ist. Alle Zeppeline waren oberhalb einer bestimmten Fluggeschwindigkeit instabil in der Neigung und über den gesamten Geschwindigkeitsbereich im Gieren, aber niemand störte sich daran. Diese Dinger waren so groß, dass jede Bewegung lange brauchte, um sich zu entwickeln, und Abweichungen vom Trimmzustand leicht zu korrigieren waren.

Bei Flugzeugen ist das anders, weil sie wendiger und viel kleiner sind. Der charakteristische Parameter ist hier der Kurzperiodenmodus, der die Nickbewegung charakterisiert. Seine Frequenz liegt bei kleinen Flugzeugen bei etwa 1 Hz und kann wie folgt angenähert werden:

ω a = v t r ich m ich j ⋅ ( c m a μ + c L a ⋅ c m q μ 2 )

Nomenklatur:
ω a Eigenfrequenz des Kurzzeitmodus
v t r ich m getrimmte Fluggeschwindigkeit
ich j Trägheitsradius um die Nickachse
c m a Pitch-Moment-Gradient über Anstellwinkel
μ reduzierte Masse. μ = 2 ⋅ m ρ ⋅ S ⋅ l μ
c L a Gradient des Auftriebskoeffizienten über dem Anstellwinkel
c m q Tonhöhendämpfungskoeffizient
m Masse
ρ Dichte der Luft
S Bezugsfläche (normalerweise Flügelfläche)
l μ mittlerer aerodynamischer Akkord

Um die Frage zu beantworten, braucht es nur den ersten Faktor der Gleichung. Die Frequenz steigt mit der Fluggeschwindigkeit und sinkt mit der Nickträgheit des Flugzeugs. Durch Hinzufügen eines Gewichts am Heck ihres Flugzeugs erhöhten die Wrights diese Nickträgheit, wodurch die Eigenfrequenz gesenkt und die Steuerung erleichtert wurde. Machen Sie keinen Fehler: Der Flyer wurde noch instabiler, aber die Instabilität wurde leichter zu korrigieren, weil sich die Abweichungen vom Trimmpunkt langsamer aufbauten.

Moderne Repliken des Flyers haben ihren Schwerpunkt vor dem neutralen Punkt und sind natürlich stabil.

+1 ausgezeichnete Erklärung. Mir war nicht klar, dass es manchmal besser ist, ein Flugzeug etwas instabiler zu machen (wie Sie erwähnt haben, aufgrund der erhöhten Trägheit). Ich habe das selbst bei einem meiner RC-Flugzeuge mit CG so weit hinten bemerkt, dass eine neutrale Trimmung nach unten Höhenruder erforderte. Ich konnte nicht erklären, warum es sehr lange geflogen ist.
Was ist mit der Erwähnung von PIO ?
@yankeekilo: Das haben die Wrights Wellen genannt. Ich habe ihre Terminologie verwendet, weil ich sie sehr anschaulich finde. Aber ja, dies war ein früher Fall von PIOs, und sie wurden weniger intensiv, als die Eigenfrequenz des Flugzeugs von der Eigenfrequenz des Steuersystems weg verschoben wurde (dies ist Wilbur oder Orville plus die Pitch-Steuerung des Flyers).

Damit ein Flugzeug stabil ist, sollten kleine Steuereingaben zu kleinen Korrekturen führen. Auch kleine Luftströmungen sollten zu kleinen Abweichungen führen.

Überlegen Sie nun, was passiert, wenn der Flyer etwas nach unten neigt. Es nimmt Fahrt auf und der Flügel erzeugt mehr Auftrieb. Wenn der Schwerpunkt zu weit vorne liegt, erzeugt der Flügelauftrieb ein Drehmoment, das die Nase noch weiter nach unten neigt. Mit anderen Worten, diese kleine Änderung wird verstärkt.

Das Verschieben des Schwerpunkts nach achtern reduziert die Drehmomentänderung bei Pitchänderungen, was bedeutet, dass kleine Änderungen klein bleiben – und somit das Flugzeug stabil ist.

Bewegen des Schwerpunkts nach vorne macht das Flugzeug stabil . Für beide Flugzeuge mit normalem Heck oder Canard (Flyer war ein Canard). Der Grund dafür ist, dass bei Vorwärts-CG die vordere Oberfläche mit einem höheren Anstellwinkel fliegt. Der Flyer hatte den Schwerpunkt zu weit achtern und war nicht stabil. (-1, das ist eine falsche Erklärung).
@JanHudec: Ich kann keine gute Quelle finden, die besagt, dass der Flyer seinen Canard bei einer höheren AoA hatte. Bei einem Canard, der Auftrieb erzeugt, müssen Sie einen Schwerpunkt zwischen dem Canard und dem Flügel haben (offensichtlich, sonst können sich die beiden Drehmomente überhaupt nicht aufheben). Wenn Sie es zwischen diesen Grenzen etwas nach vorne oder hinten verschieben, ändert sich das Gleichgewicht der Drehmomente, aber Sie können nicht verallgemeinern und sagen, dass der Schwerpunkt nach vorne stabil ist. Setzen Sie einfach den CG an die Stelle des Canards und Stabilität wird unmöglich .
Die relative AOA der Steuerfläche und des Hauptflügels ist eine Funktion des Schwerpunkts, nicht umgekehrt. Weil der Pilot den Canard anpasst, um das Fahrzeug auszubalancieren. Flyer hatte den Canard bei einer niedrigeren AoA als der Hauptflügel, weil er nicht stabil war. Aber das Verschieben des CG nach vorne würde den Piloten dazu bringen, die AoA des Canards zu erhöhen und somit die Stabilität zu verbessern. Aber Wrights hat es nie weit genug nach vorne gebracht, um es stabil zu machen. Und wie Peter Kämpf richtig erklärt, wurde es durch eine Bewegung nach vorne weniger kontrollierbar und durch eine Bewegung nach achtern kontrollierbarer. Wenn auch weniger stabil.
Flugzeuge mit CG am Ort der "Ente" könnten leicht stabil sein. Aber sein "Canard" wäre der Hauptflügel, der den gesamten Auftrieb erzeugt, und der "Flügel" wäre ein Stabilisator, der im stetigen Flug mit 0 AoA fliegt. Eine solche Konfiguration wäre gut stabil.
@JanHudec: Das ist dann ein bisschen ein Namensproblem: Ich verwende Canard, um eine Steuerfläche vor dem Flügel zu meinen, die ein Drehmoment erzeugen kann, um die Tonhöhe nach Bedarf zu ändern. Um Drehmoment zu erzeugen, benötigen Sie einen Hebel, und der Hebel ist per Definition 0, wenn sich der Schwerpunkt am Canard befindet. Sie können den Flügel natürlich im Schwerpunkt haben, wenn die Steuerfläche (Canard oder Heck) unter normalen Bedingungen ein Drehmoment von 0 erzeugt.
Ich benutze Canard, um genau dasselbe zu meinen. Um ein Drehmoment zu erzeugen, braucht man tatsächlich einen Hebel. Für die Stabilität spielt es aber keine Rolle , welche der beiden Flächen das Drehmoment erzeugt! Ein Flugzeug, dessen Schwerpunkt mit dem Auftriebszentrum der vorderen Auftriebsfläche zusammenfällt (und Kontrollen auf dieser Oberfläche; sie spielen überhaupt keine Rolle; Kontrollen bewegen sich nicht, wenn wir die Stabilität analysieren) ist stabil. Wenn es nach unten neigt, verringert sich der Anstellwinkel beider Oberflächen. Die vordere Oberfläche beginnt kein Drehmoment zu erzeugen. Aber das Heck fliegt jetzt mit negativer AoA und verursacht ein Wiederherstellen des Drehmoments.
Die Bedingung für stabile Flugzeuge ist einfach. Die vordere Oberfläche muss mit einem höheren Anstellwinkel fliegen als die hintere. Unabhängig davon, auf welcher Bedienoberfläche sich befindet. Das Bewegen des Schwerpunkts nach vorne bedeutet, dass Sie den Auftrieb und damit den Anstellwinkel auf der vorderen Oberfläche relativ zur hinteren Oberfläche erhöhen müssen, was die Stabilität erhöht. Das Bewegen des Schwerpunkts nach hinten bedeutet, dass Sie den Anstellwinkel auf der vorderen Oberfläche verringern müssen und somit die Stabilität verringern. Flyer war nicht stabil. Der Grund war, dass der Schwerpunkt zu weit hinten lag . Sie sagen vorwärts in Ihrer Antwort und das ist nicht richtig.
Warum hat das Verschieben des CG nach hinten im Flugzeug der Wright Brothers die Handhabung verbessert?
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