Umgekehrte Steuerwirkung

[Yankee]

Guten Abend

Ich hätte eine Frage, kann mir jemand erklären weshalb die Steuer in einem Flugzeug verkehrt wirken falls der Schwerpunkt hinter dem Neutralpunkt liegt?

Gruss und Merci

Mark

[Gast harry]

Original geschrieben von Yankee

Guten Abend

Ich hätte eine Frage, kann mir jemand erklären weshalb die Steuer in einem Flugzeug verkehrt wirken falls der Schwerpunkt hinter dem Neutralpunkt liegt?

Gruss und Merci

Mark

 

du meinst du willst nach rechts rollen und die maschine rollt nach links? oder du willst die nase hochziehen und sie kommt runter? wuesste nicht wie sowas von der schwerpunktlage ausgeloest werden kann. allerdings musst du mit solchen effekten rechnen wenn du zu schnell fiegst (knapp unter schallgeschwindigkeit).

[Yankee]

Ich denke nicht, dass es beim Rollen ein Problem gibt. ABer in der Luft. Ich meine damit vor allem die Bewegung um die Querachse die umgekehrt verlaufen soll?? Also steigen statt sinken und sinken statt steigen...

[oldchris]

Hallo Mark

 

Aus welchen Quellen stammt denn die Behauptung, bezüglich dieser umgekehrten Steuerwirkung ?

[dennis]

ich habe auch gelernt und davon gehört, dass im überzogenen flugzustand ruderumkehrwirkungen auftreten können. allerdings dann nicht um die querachse sonder um die längsachse.

gruß

 

dennis

[far_away]

@dennis

Ruderumkehrwirkung entsteht auch während dem Flug!

Querruderknüppel links - linkes Querruder rauf - rechtes Querruder runter -> EDIT: rechte Tragfläche wird mehr gebremst -> Nase geht aus der Kurve heraus (=schiebende Kurve -> Seitenruder verwenden) !

 

Ich glaube was du meinst ist, wenn du zB im Final einen Stall hast, und mit Gegenquerruder reagierst, noch mehr "abkippst"!

 

Oder ?

 

Grüsse

 

Bernhard

[Yankee]

Hallo Chris

Diese Aussage findest du im Ordner "Principles of Flight" oder auch POF genannt, Kapitel 4-2-3 Seite 5!!

Da steht dick eingerahmt:

Schwerpunkt hinter Neutralpunktlage:

-Beim Startvorgang besteht die Gefahr, dass das FLugzueg zu früh abhebt.

- Es kann in einen zu steilen Steigflug übergehen. Dies kann zum Abreissen der Strömung und Absturz führen.

- Die Höhensteuerdrücke wurken im UMGEKEHRTEN SINN.

 

Das Werk ist übrigens von Bruno Guggiari und Peter Weichelt verfasst und wurde uns vor dem ersten FVS Kurs ausgehändigt.

Vielleicht kannst du etwas damit anfangen?

Gruss

Mark

[dennis]

@flighty87

das mit der ruderumkehrwirkung im flug verstehe ich nicht.

wenn du links querruder gibts geht die linke fläche auch runter (wie ich es halt bestimmt habe :-), die rechte fläche hat nun mehr auftrieb und so auch mehr widerstand, das muss ich dann halt durch seitenruder ausgleichen.

aber das ist für mich keine ruderumkehrwirkung, oder vielleicht doch?

 

das zweite was du sagtest, trifft schon eher zu. stall ist ja der überzogene flugzustand.

ich habe gelernt, dass, wenn man nun z.b. rechts querruder gibt, die linke fläche abkippt, so wie ich es eigentlich nicht will...

mag auch sein, dass es falsch ist, habe es selber noch nicht erlebt.

gruß

 

dennis

[far_away]

...aber das ist für mich keine ruderumkehrwirkung, oder vielleicht doch?

 

Sorry - nein - war mein Fehler!:rolleyes:

Das was ich beschrieben habe war während dem Flug!

EDIT:und selbst das hab ich falsch beschrieben - habe es bereits geändert!

 

Schöne Grüsse

 

Bernhard

[far_away]

Also boa - jetzt bin ich verwirrt!

 

 

wenn du links querruder gibts geht die linke fläche auch runter (wie ich es halt bestimmt habe :-), die rechte fläche hat nun mehr auftrieb und so auch mehr widerstand, das muss ich dann halt durch seitenruder ausgleichen.

 

Aber ist es nicht?

Die Nase schiebt deswegen nach außen, weil das rechte Querruder, dass nach unten ausschlägt, nun mehr Widerstand erzeugt - in Folge nun die gesamte rechte Tragfläche mehr Widerstand erzeugt!

 

Ok wie auch immer - ich sollte mir das unbedingt nochmals durchlesen, und irgendwie bin ich ziemlich von Thema abgekommen!

 

greets

 

Bernhard

[oldchris]

OK Das Problem entsteht also nicht wegen der Schwerpunktlage sondern wenn wegen dieser Schwerpunktlage (zu weit hinten) das Flugzeug in einen überzogenen Flugzustand gerät (Stall).

Wenn bei einem Stall das Flugzeug über einen Flügel abkippt was vor allem im Kurvenflug (nicht unbedingt der innere Flügel ) oder mit Flaps oder Power geschehen kann will der Pilot dies natürlich korrigieren. Die automatische Reaktion des Piloten, dieses Abkippen mit Gegensteuer (Ailerons) auszugleichen ist in diesem Flugzustand völlig falsch und muss mit genügend Training und mentaler Vorebereitung vermieden werden. Der Flügel, der sich senkt, wird nämlich entgegen der Steuerbewegung brüsk abkippen. WIESO ? Stall ist ein überzogener Flugzustand = zu hoher Anstellwinkel. Bei einem "normalen" Flugzeug (Cessna, Piper etc) geschieht dies (Landeklappen eigefahren) etwa bei 13-14 Grad Anstellwinkel im Verhältnis zur Flugbahn (Anströmung) und nicht zum Horizont .

Wenn nun zB der linke Flügel im Moment des Strömungsabrisses abkippt und ich versuche, diese Bewegung mit einer Steuerbewegung (Aileron ) nach rechts zu korrigieren bewegen sich die Querruder. Wie bewegt sich das Querruder des linken Flügels in diesem Fall ? Richtig da der Flügel ja mehr Auftrieb braucht, schlägt das linke Querruder nach unten aus. Dadurch wird durch die Veränderung des Profils der Anstellwinkel dieses Flügels, bei dem die Strömung schon abreisst noch vergrössert, der Stall also verstärkt. Deshalb wird der linke Flügel noch brüsker abkippen und die Gefahr einer Vrille verstärkt.

Also : bei Stall Aileron neutral, Anstellwinkel verringern.

Ein Training mit einem Fluglehrer ist immer eine gute Idee, mit zugelassenen Flugzeugen kann dabei auch Trudeln(Spin/Vrille) demonstriert oder geübt werden.

Cessna 172 muss dabei zB Utility version sein, das heisst, hintere Sitzbank und Gepäckraum leer, Tanks höchstens halb voll und nicht zwei 100kg Brocken auf den vorderen Sitzen.

[Gast Hans Fuchs]

Original geschrieben von oldchris

Also : bei Stall Aileron neutral, Anstellwinkel verringern.

Darüber hinaus: Ein sofortiger Tritt ins Gegenseiten Ruder beschleunigt nicht nur den hängenden (stallenden)Flügel, sondern holt ihn sogar hoch.

 

Meiner Meinung nach soll man sich von Anfang an angewöhnen, eine Kruve mit anfänglichem Gegeseitenruder auszuleiten, dadurch wird man das auch bei einem unerwarteten Stall reflexartig so machen und nicht mit dem Querruder die Sache noch verschlimmern.

 

Hans

[Yankee]

Irgendwie seid ihr etwas von der Anfangsfrage abgekommen. Wenn mir doch noch jemand eine Antwort weiss wäre ich sehr dankbar.

Gruss Mark

[oldchris]

Die Höhensteuerdrücke wirken im umgekehrten Sinn

Wie erreicht man statische Längsstabilität bei einem Flugzeug ?

"Ein Flugzeug mit guter Längsstabilität soll nach einer Störung möglichst schnell (ohne Steuerbewegung) wieder in die ursprüngliche Fluglage und zur Ausgangsgeschwindigkeit zurückkehren" Mit dem Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt muss das entstehende kopflastige Moment durch eine nach unten gerichtete Trimmkraft des Höhenleitwerkes kompensiert werden. Bei einem Einstellwinkel des Flügels von zB +3 Grad und des Höhenleitwerks von +1 Grad und einer Erhöhung des Anstellwinkels verändert sich der Anstellwinkel des Höhenleitwerks prozentual viel stärker als derjenige des Flügels. Bei 1 Grad mehr Anstellwinkel nämlich um 100% gegenüber 33% beim Flügel. Dadurch produziert das Höhenleitwerk im Verhältnis bedeutend mehr zusätzlichen Auftrieb und mit dem langen Hebelarm erzeugt dies ein kopflastiges Moment, welches das Flugzeug wieder in die ursprüngliche Fluglage zurückbringt.

Klar ist, dass bei einem hinter dem Neutralpunkt liegenden Schwerpunkt die Auslegung des Höhensteuers eine Störung der Fluglage verstärkt anstatt ausgleicht, weil eine Erhöhung des Anstellwinkels (überproportionaler zusätzlicher Auftrieb) die in diesem Fall notwendige kopflastige Trimmkraft in ein schwanzlastiges Moment verändert. Weil dieses Moment jetzt "in die Richtung der Störung wirkt, anstatt sie auszugleichen, entfernt sich das Flugzeug noch weiter von seiner ursprünglichen Lage" bäumt sich also zB immer mehr auf. Es ist längsINstabil.

 

Du Mark weisst das sicher alles, aber vielleicht ist es für andere neu oder interessant.

 

Wieso nun (6.4.1. Seite 1) die STEUERWIRKUNG umkehren kann - "müsste man am Höhensteuer ziehen, um die Flugzeugnase zu senken oder die Fluggeschwindigkeit zu erhöhen " kann ich nicht erklären. Die Autoren schreiben auch nur, dass sich die Steuerwirkung umkehren KANN und nicht prinzipiell muss. Leider fehlt dazu eine erklärende Zeichnung mit den wirkenden Kräften.

Da in meinen englischen Fachbüchern diese Möglichkeit nicht erwähnt ist, nehme ich an, dass es nur in ganz speziellen Ausnahmefällen überhaupt möglich ist. Eine genaue Erklärung von Peter Weichelt (Dipl. Ing. ETH,Aerodynamiker) oder sonst eines Fachmannes/Fachfrau wäre sicher interessant.

[damgwerd]

@Hans: Guter Tip! Habe das eigentlich so gelernt, aber eben. Es braucht doch ein bisschen Training und ein Sich-immer-wieder-ins-Bewusstsein-rufen, um dies 'ins Fuedli' bzw. automatisiert zu bekommen.

 

@alle, v.a. Chris: Aus purem Interesse. Gehoeren power-on stalls, Spiral dives, spins, steep turns, usw. nicht standartmaessig ins JAR-PPL-Schulungsprogramm?

 

Gruesse,

Domi

[Yankee]

Hallo Chris

Vielen Dank für deine Antwort. Das ganze scheint doch recht Komplex zu sein. Werde mich mal weiter umhören, vielleicht erfahre ich ja noch etwas. Es ist wirlich schade, dass im POF nicht mehr darüber beschrieben ist. Kennt jeman zufälligerweise Peter Weichelt?

Gruss

Mark

[oldchris]

@domi

selbstverständlich, wobei spins nur als Demonstration vorgeschrieben sind. Es wird viel Wert (mindestens 2 volle Stunden - zB immer wieder 10-15 Minuten) auf das Erkennen von kritischen Fluglagen und das Trainieren der richtigen Reaktion gelegt. Priorität : Erkennen und Bewältigen von kritischen Fluglagen BEVOR das Flugzeug in einem "fully developed spin" ist.

[Gast Hans Fuchs]

Original geschrieben von oldchris

Dadurch produziert das Höhenleitwerk im Verhältnis bedeutend mehr zusätzlichen Auftrieb......

Ein Höhenleitwerk erzeugt nicht Auftrieb, sondern Abtrieb. :confused:

 

... oder anders formuliert: Das Flugzeug (im Envelope) hängt zuerst am Flügel ab, lange bevor es am Heckleitwerk abhängt. Es fällt also immer nach vorne unten, wodurch es wieder Fahrt aufnimmt und die Strömung erneut am Flügel wieder zum Anliegen kommen soll.

 

Wie bei irgend so einem Vorgang umgekehrter Steuerinput helfen soll, ist mir schlicht schleierhaft.

 

Ganz unten im Bauch glaube ich, dass ich sowas im Zusammenhang mit Geschwindigeiten ganz Nahe des Ueberschalls gehört habe.

 

Hans

[DNovet]

Wie der Hans es soeben angetönt hat, könnte der Zustand schon eintreten. Allerdings eben bei nicht richtigem Betrieb des Luftfahrzeuges. Folgendes Beispiel:

 

Grosse Frachtmaschine startet. Leider hat der Ramper namens Giovanni beim Beladen des einzigen - dafür aber umso schwereren - Containers schon an seinen Feierabend-Chianti gedacht, anstatt den Container richtig zu arretieren.

Während der Startlauf bewegt sich nun der Container, angetrieben vom Schub und der Rotation des Fliegers, von ganz nach vorne in der Kabine nach ganz hinten.

Nun liegt auf einmal der Schwerpunkt hinter dem Auftriebspunkt - et voilà...

Damit der Flieger - welcher ja nun aus seiner envelope ist - trotzdem einigermassen weiterfliegen kann, muss das Höhenleitwerk statt Abtrieb um die Nase zu heben (da ja der Schwerpunkt normalerweise vor dem Auftriebspunkt liegt) Auftrieb geben, um das Heck nach oben zu drücken (da nun der Schwerpunkt hinter dem Auftriebspunkt liegt).

 

Das wäre die eine Variante, die ich mir vorstellen könnte.

 

Die andere ist die Theorie - ebenfalls vom Hans angetönt - vom Überschallflug.

 

Da im Überschall sich die Luft nicht mehr wie ein Gas sondern eine Flüssigkeit verhält, kann sich die Ruderwirkung umdrehen, und zwar auf allen Rudern. Allerdings braucht es zum genauen Erklären des Sachverhaltes durchaus ein Doktortitel und abstraktes Denken, weshalb auch ich mich einfach nur mit dem Wissen abgefunden habe, dass es einfach so sein kann. Das Ding fliegt und es kümmert eigentlich niemanden so genau warum, Hauptsache er bleibt oben... ;)

[Gast Hans Fuchs]

Aha

 

Man geht davon aus, dass der Schwerpunkt bereits so weit hinten ist, dass das Höhenleitwerk nicht mehr Abtrieb, sondern Auftrieb erzeugen muss, um die Kiste in der Luft zu halten.

 

Ich denke selbst in einem solchen theorethischen Fall wäre die Höhenruderwirkung nicht umgedreht .

 

Überlegen wir:

Die Heckflosse wird also von unten angeströmt. Stosse ich am Steuerhorn, dann klappt an seinem hinteren Ende das Ruder herunter und erhöht den Auftrieb an der Heckflosse und somit am Heck, was in einem Rollen des Flugzeuges nach vorne unten resultiert, also genauso wie sonst auch, wenn ich das Ruder nach unten auslenke.

 

Ausserdem denke ich, dass die Stabilisatoren selbst in der max. Trimmung nach vorne immer noch nicht in einen Bereich kommen können, wo sie Auftrieb statt Abtrieb erzeugen.

 

Das einzige, was ich mir vorstellen kann, ist eine dreartige Vertrimmung nach hinten, dass das Höhenruder völlig wirkungslos ist.

 

Hans

[DNovet]

Recht hat er, unser Hans...

 

Gruss von Dani, der es sich nochmals überlegt hat... ;)

 

PS: Meine Aussage mit Überschall behält trotzdem Gültigkeit... :D

[oldchris]

Original geschrieben von Hans fuchs

Hans [/b]

Ein Höhenleitwerk erzeugt nicht Auftrieb, sondern Abtrieb.

:confused:

 

Zuerst vielleicht eine Klärung der Begriffe.

Höhenleitwerk besteht aus Höhenflosse (fester Teil) und Höhenruder (beweglicher Teil). Es gibt auch Höhenleitwerke, welche nur aus einem Ruder bestehen (Pendelruder)

 

Im normalen horizontalen Flug erzeugt das (unbewegte, getrimmte) Höhenleitwerk Abtrieb. Dies ist richtig. Es ist notwendig, um beim vor dem Neutralpunkt liegenden Schwerpunkt die Gewichtskraft zu kompensieren.

 

Wenn das Höhenleitwerk keinen Auftrieb produziert, sondern immer nur Abtrieb, dann müsstest Du das Flugzeug zur Einleitung eines Sinkfluges stallen........um die Nase endlich runterzubringen. Sonst geht das bei richtiger Schwerpunktlage ganz einfach, indem mit Hilfe des Höhenruders am Höhenleitwerk Auftrieb (oder ev. bedeutend weniger Abtrieb als normal) erzeugt wird. Dieser Auftrieb drückt den Schwanz des Flugzeuges nach oben und über den Hebelarm trotz vergleichsweise kleiner Steuerfläche die Nase nach unten.

 

Kurz vor einem Stall mit dem dazu notwendigen (zu hohen) Anstellwinkel produziert übrigens auch das Höhenleitwerk garantiert Auftrieb. Glücklicherweise oder besser gesagt weil es so konstruiert wurde hat es aber noch Steuerwirkung. Der Einstellwinkel (Winkel zur Rumpflinie) ist beim Höhenleitwerk ein paar Grad kleiner als beim Flügel. Damit produziert es erstens beim horizontalen Reiseflug den notwendigen Abtrieb und zweitens reisst die Strömung wegen des etwas kleineren Anstellwinkels noch nicht ab, wenn (zumindest die inneren Teile) der Flügel "stallt". Damit bleibt das Ruder wirksam. Die Schränkung des Flügels führt dazu, dass die Strömung zuerst innen an den Flügeln abreisst, wenn dort der maximale Anstellwinkel erreicht wird. Dabei sind die Querruder noch "wirksam" und kippt das Fluzeug wegen des Auftriebsverlustes innen meist "gutmütig" über die Nase ab und nicht gemein über einen Flügel.

 

Weniger stabile Flugzeuge als Cessnas und Piper wie zum Beispiel Akroflugzeuge sind entsprechend ihrem Verwendungszweck natürlich viel weniger auf Stabilität ausgelegt, sondern auf Wendigkeit und reagieren im kritischen Bereich deshalb viel giftiger und mit mehr Ueberraschungen. Dafür kann man mit ihnen auch Vrillen üben und muss sie nicht, wie eine Cessna 172 (im Normalfall) mit Power und vollem Ruderausschlag kurz vor dem Stall hineinzwingen und einige Momente drinbehalten, weil sie sonst viel lieber in eine "normale " Fluglage zurückkehren. Auch mit gutmütigen Flugzeugen bitte wirklich nur mit einem erfahrenen Fluglehrer üben, vielleicht tritt sonst gerade dann nicht der Normalfall ein.

[Gast Hans Fuchs]

Original geschrieben von oldchris

:Wenn das Höhenleitwerk keinen Auftrieb produziert, sondern immer nur Abtrieb, dann müsstest Du das Flugzeug zur Einleitung eines Sinkfluges stallen........um die Nase endlich runterzubringen.

Soll ich CHABIS sagen?

 

Um zu sinken, muss das Flugzeug als ganzes in seiner Längsattiude nach vorne geneigt werden. Dazu braucht es keinen Auftrieb an der Heckflosse sondern lediglich weniger Abtrieb, und die Sache kippt nach vorne und fliegt den Berg hinunter.

 

Ich kann nicht ganz ausschliessen, dass es grad bei hochlablien Kunstflugzeugen nicht ganz kurzzeitig so ist, wie Chris es beschreibt, doch die Regel ist es sicher nicht.

 

Jetzt brauchen wir einen Luftfahrt Ingenieur: Andreas Stieli wo bist Du?

 

Hans

[Stieli]

Hallo Zusammen

 

@Hans: Sorry, dass ich mich erst jetzt melde, ich war im wohlverdienten langen Wochenende ;)

 

Puh, da habt ihr ja ein schönes Thema aufgeworfen...

Ich habe mich mal wieder ein wenig eingelesen und kann folgendes zum ursprünglichen Stichwort "Ruderumkehr" sagen:

 

Es handelt sich dabei um ein Phänomen (oder nach neuer Rechtschreibung "Fenomen" <brrrrrr>) das vorwiegend im Bereich

der Schallmauer auftritt, da sich dort die Luft nicht mehr wie ein (kompressibles) Gas sondern wie eine (inkompressible) Flüssigkeit verhält. Bekannt ist das Verhalten hauptsächlich bei den Querrudern aber kann auch beim Höhenruder auftreten.

 

Strömungstechnische Ursache ist der sog. "Querruderrollbeiwert" der aufgrund der veränderten Aerolastizität der Luft sein Vorzeichen ins Negative ändern kann. Dieses Verhalten tritt bei sehr vielen Überschallflugzeugen (z.B. auch Concorde <schnief>) regelmässig beim Durchbrechen der Schallmauer auf. Im reinen Überschallbereich ist das Verhalten dann wieder normal.

Ähnliches gilt für's Höhenruder (der sog. "Höhenrudernickbeiwert")

 

Es gibt auch noch die Ruderumkehr aufgrund vom hohen Anstellwinkel, das sog. Abkippen. Hier tritt dann das Phänomen auf, dass der hängende Flügel durch den Querruderausschlag zusätzlich abgebremst wird und stallt. Das Flugzeug rollt dann in die umgekehrt Richtung des Ruderausschlags. Dies

kann nur durch Neutralisieren des Querruders und Verringern des Anstellwinkels beendet werden.

 

EDIT: das Abkippen ist auch die einzigste Verbindung, die ich zu Neutralpunkt/Schwerpunkt herstellen kann. Wenn nämlich der Neutralpunkt hinter dem Schwerpunkt liegt, dann ist der Flieger schwanzlastig resp. instabil. Die führt dann zum Stall mit evtl. Abkippen. Wie oldchris schon gesagt hat....

 

Es gibt recht interessante Berichte aus der Zeit, als die "tollkühnen Männer in ihren fliegenden Kisten" so schnell wurden, dass sie sich der Schallmauer näherten bzw. sie unbemerkt durchbrachen. Während der Flugerprobung der Me262 vor knapp 60 Jahren ist recht viel über die Ruderumkehr berichtet worden. Mal schauen ob ich da noch was finde....

 

Hoffentlich konnte das Thema etwas "erhellen" :D

 

@Hans: ich habe noch ein altes Skript aus Studientagen ausgekramt. Leider kann ich es im Moment von hier aus nicht hochladen. Ich schick's Dir einfach mal per Mail....

 

Gruss und eine gute Woche,

Andreas

[Gast Hans Fuchs]

Andreas herzlichen Dank

 

Du bestätigst eigentlich die beiden Varianten, die wir Bauchmässsig schon eruiert hatten.

 

1. kurzzeitige Ruderumkehr nahe dem Überschallbereich. Häufiger an Quer als an Höhenruder, offenbar kaum an Seitenruder.

 

2. Quasiruderumkehr am Querruder durch Überziehen an nur einem Flügel.

 

Das Skript habe ich auch nicht hochgeladen, da es viele andere Dinge berührt und sehr technisch ist, das Pänomen der Ruderumkehr beim Erreichen des Überschall dann doch nicht so detailiert erleutert. Wer es trotzdem haben wirll, dem würde ich es mit Andreas Zustimmung weiterleiten.

 

Hans