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Flugstabilität

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Damit ein Flugzeug sicher und mit guten Flugleistungen fliegen kann, muss es um alle Achsen stabil sein.

Inhaltsverzeichnis

Stabilität als physikalisches Konzept

Stabil versteht sich hier nicht im alltäglichen Sinne von "Kann rauen Umgang vertragen", sondern bezieht sich auf das Halten der gesteuerten Flugbahn. Für das physikalische Konzept von Stabilität wird gerne das Modell einer Kugel auf einer Oberfläche als Beispiel genommen:

Stabil.png Stellen wir uns eine Murmel in einer Schale vor, so ist sie im stabilen Gleichgewicht. Gibt man ihr einen Stoß, so wird sie immer wieder auf den Grund der Schale zurückrollen.
Indifferent.png Liegt die Murmel hingegen auf einem exakt horizontalen Tischplatte, so ist sie im indifferenten Gleichgewicht. Nach einem Stoß wird sie nach einer gewissen Rollstrecke zur Ruhe kommen, aber an einem anderen Ort.
Labil.png Balancieren wir die Murmel an der Oberseite eines glatten Spielballs, so ist sie im labilen Gleichgewicht. Bei der geringsten Störung wird sie mit zunehmender Geschwindigkeit seitlich herunter rollen. Um sie oben auf dem Ball zu halten sind ständige schnelle Korrekturen nötig.
Metastabil.png Zusäztlich existiert noch der Begriff der Metastabilität. Das Bild dafür ist die Murmel in einer Mulde oben auf dem Ball: Stabil für kleine Abweichungen, aber instabil darüber hinaus. Geht der Zustand über die indifferente Grenze hinaus spricht man von Kippen. Dies ist eine leicht verständliche Analogie zur Stabilität eines hochkant gestellten Quaders: überschreitet er eine gewisse Neigung, kippt er um.

Man sieht deutlich, dass die Stabilität experimentell nur analysiert werden kann, wenn man Auslenkungen aus der Null-Lage vornimmt. Im obigen Beispiel kann sich eine ruhende Kugel in jeder Stabilitätskonfiguration befinden.

Stabilität des Flugzeugs

Längsstabilität

Diese ist meist gemeint, wenn über Stabilität von Flugzeugen gesprochen wird. Es ist die Stabilität der Längsneigung, also um die Querachse. Die stabile Nicklage bestimmt den Anstellwinkel, mit dem der Flügel angeströmt wird, und damit indirekt über den Auftrieb die Fluggeschwindigkeit.

Neutralpunkt

Längsstabilität wird erreicht durch korrekte Lage des Schwerpunkts in bezug auf den Neutralpunkt (engl. aerodynamic center, A.C.) des Gesamtflugzeugs. Der Neutralpunkt ist der Punkt des Flugzeugs, auf den bezogen sich das Moment der aerodynamischen Kräfte bei einer Anstellwinkeländerung nicht ändert. Geschickterweise sind die aerodynamischen Gesetze nämlich so, dass im Anstellwinkelbereich, wo die Strömung anliegt, ein solcher Punkt existiert.

Stabilitätsmaß

Liegt der Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt, so resultiert bei einer Störung der Fluglage ein rückführendes aerodynamisches Moment, das dafür sorgt, dass das Flugzeug die ursprüngliche Lage wieder einnimmt. Ist diese Vorlage groß, so ist die Rückführung schnell. Ist die Vorlage klein, erfolgt sie langsam. Die Schwerpunktvorlage ausgedrückt in Prozent der mittleren Flügeltiefe nennt man Stabilitätsmaß.

Trimmung

Aus der Schwerpunktsvorlage und dem Moment des Tragflügels resultiert ein Restmoment, dass vom Höhenleitwerk ausgeglichen werden muss. Zu diesem Zweck ist das Höhenleitwerk um die Einstellwinkeldifferenz abweichend zum Tragflügel angestellt. Die Einstellwinkeldifferenz (ED) bestimmt die Trimmung, d.h. den Auftriebsbeiwert und damit die Fluggeschwindigkeit, bei der sich das Flugzeug in der Längsneigung stabilisiert.

Beeinflussung der Flugeigenschaften durch das Stabilitätsmaß

Ist das Stabilitätsmaß groß, ist das Flugzeug gutmütig: Steuerausschläge am Höhenruder führen nicht zu heftigen Reaktionen. Ein kleines Stabilitätsmaß ist hingegen erwünscht für gute Wendigkeit und einen weiten Trimmbereich. Moderne Kampfflugzeuge werden deshalb instabil ausgelegt; Stabilität wird künstlich durch Regelung über schnelle Leitwerksausschläge erreicht.

Bestimmung des korrekten Schwerpunkts

Die Lage des Neutralpunkts kann man rechnen. Überschlagsweise liegt er beim Drachenflugzeug immer etwas hinter 25% der mittleren Flügeltiefe. Die korrekte Lage des Schwerpunkts kann aber auch erflogen werden. Das ist der meist in der Praxis begangene Weg.

Querstabilität

Querstabilität ist Stabilität um die vom Querruder gesteuerte Achse, also die Längsachse. Querstabilität sorgt dafür, dass ein Flugzeug aufrecht fliegt. Außerdem sorgt sie zusammen mit der Seitenstabilität dafür, dass das Flugzeug schiebefrei durch die Kurve fliegt.

Querstabilität wird meist erreicht durch V-Form; Die Flügel sind in Richtung der Flugzeuglängsachse betrachtet in Form eines sehr flachen V angeordnet, d.h. die Flügelspitze liegt etwas höher als die Flügelwurzel. Das hat folgende Wirkung:

  • Bei jeder Flugzeugkonfiguration führt ein hängender Flügel bei sonst ungestörter Fluglage zunächst dazu, dass der Auftriebsvektor seitlich gekippt ist. D.h. da ist eine seitliche Kraft, der zunächst keine Gegenkraft entgegensteht. Folglich wird das Flugzeug zur Seite abgetrieben; es beginnt zu schieben.
  • Dieses Schieben führt zu einem seitlichen Anblasen des Flügels. Durch die V-Form wird dabei der Anstellwinkel und damit der Auftrieb am hängenden Flügel vergrößert, am anderen reduziert. (Positive Schiebe-Roll-Kopplung; Ein Schiebezustand führt zu einer Rollbewegung, die zur Kurve in Schiebe-Richtung passt.) Das Flugzeug wird in seine aufrechte Lage zurückgedreht.

Ähnliche Wirkung wie V-Form hat Pfeilung: auch hier wird im Schiebeflug am voreilenden Flügel der Auftrieb größer. Pfeilung hat zusätzlich den Vorteil, dass sie auch im Rückenflug zu positiver Schiebe-Roll-Kopplung führt, während die im Rückenflug negative V-Form eine destabilisierende Wirkung hat.

Die Querstabilität wird auch beeinflusst von einer tiefen Lage des Schwerpunkts in Bezug auf den Tragflügel (z.B. im Hochdecker). Das hat zwar direkt keinen Einfluss auf das Kräftegleichgewicht, aber im Schiebeflug werden durch den größeren Hebelarm der Gewichtskraft die rückführenden Momente größer.

Die Schiebe-Roll-Kopplung wird auch positiv beeinflusst durch Abschattungseffekte des Rumpfes auf den Tragflügel. Der nachhinkende Flügel verliert Auftrieb, was das korrigierende Moment verstärkt.

Seitenstabilität

Seitenstabilität ist Stabilität um die Hochachse. Beginnt das Flugzeug zu schieben, so soll es in den schiebefreien Flug zurückgeführt werden. Dies wird bewirkt durch den Windfahneneffekt des Seitenleitwerks: Bei schiebendem Flug wird das Seitenleitwerk seitlich angeblasen, was zu einem rückdrehenden Moment um die Hochachse führt. Ähnliche Wirkung hat auch Pfeilung: Der Widerstand am voreilenden Flügel wird größer, am nacheilenden kleiner.
Die Seitenstabilität wird oft stiefmütterlich behandelt. (So auch in diesem Artikel; wer mehr dazu zu sagen weiß, ist herzlich eingeladen, das zu tun. Braucht Mitarbeit durch Experten) Das Resultat ist ein Flugzeug, das nicht sauber durch die Kurve fliegt oder schlimmstenfalls zum Spiralsturz neigt.

Gegenseitige Beeinflussung

Die Stabilitätseigenschaften um alle Achsen beeinflussen sich gegenseitig; es kommt oft vor, dass eine Maßnahme (z.B zur Korrektur der Seitenstabilität) eine unerwünschte Konsequenz bei einer anderen Stabilitätseigenschaft (hier z.B. der Rollstabilität hat). Da braucht es dann sorgfältige Abstimmung aller beeinflussenden Komponenten. (Das führt z.B. bei Pfeilnurflügeln dazu, dass zur Kompensation des starken Schiebe-Roll-Momentes durch die Pfeilung (diese ist nötig für die Längsstabilität) eine negative V-Form erforderlich wird.)


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