Aerodynamische Steuerung

  • Folgende Ruder bewegen das Flugzeug um seine Achsen.
AchseRuderBewegung
LängsachseQuerruderRollen
HochachseSeitenruderGieren
QuerachseHöhenruderNicken
  • Ein Flugzeug ist statisch stabil, wenn es nach einem Steuerungsausschlag den neuen Gleichgewichtszustand beibehält.
  • Ein Flugzeug ist labil, wenn es nach einem Steuerungsausschlag diesen weiter verstärkt und nicht in einen Gleichgewichtszustand übergeht.
  • Eine leichte V-Stellung erzeugt bei einem Rollen in die eine Richtung einen höheren Auftrieb in die andere Richtung, was das Flugzeug längsstabil macht.
  • Je tiefer der Schwerpunkt unterhalb des Angriffspunktes des Auftriebs liegt, desto stabiler ist das Flugzeug um die Längsachse.
    • Der Angriffspunkt des Auftriebes liegt bei den Flügeln.
    • Bei Hochdeckern ist dieser weiter vom unten liegenden Schwerpunkt entfernt.
    • Bei Tiefdeckern ist er sehr nah am Schwerpunkt, weswegen man bei ihnen stärkere V-Stellungen hat.
  • Unter dem Ruderausgleich versteht man eine Maßnahme, die es dem Piloten ermöglicht, eine höhere Kraft auf die Ruder auszuwirken.
    • Bei einem aerodynamischen Ruderausgleich wird der Drehpunkt nicht in der Mitte, sondern versetzt im Ruder angelegt, so dass eine Hebelwirkung die Kraft des Piloten verstärkt.
    • Bei einem statischen Ruderausgleich wird der Drehpunkt in der Mitte platziert, jedoch gegenüber des Ruders ein Gewicht montiert, das der Ruderkraft entgegenwirkt.
      • Dies reduziert außerdem ein Flattern des Ruders, da sich dessen Trägheit erhöht.

Beladung und Schwerpunkt

  • Der Schwerpunkt (Center of Gravity) ist der gedachte Massenmittelpunkt.
  • Der Schwerpunkt ist der Angriffspunkt der Gewichtskraft
  • Die Lage des Fluggewichtsschwerpunktes ist von entscheidender Bedeutung für die Flugeigenschaften.
    • Schwerpunkt zu weit vorne: Anstellwinkel für Höchstauftrieb kann nicht mehr erreicht werden.
    • Schwerpunkt zu weit hinten: Labilität um die Querachse und Trudelneigung steigt stark an.
  • Der Leermassenschwerpunkt ist ein gedachter Massemittelpunkt eines leeren Flugzeuges.
  • Der aktuelle Flugmassenschwerpunkt hängt von der Beladung und ihrer Position ab und muss vor jedem Flug ermittelt werden.
    • Der Hersteller gibt im Flughandbuch die Hebelarme an für zu beladende Positionen.
      • Sitze für Passagiere
      • Raum für Kraftstoff
      • Gepäckraum
    • Bei der Flugvorbereitung ermittelt man diese Werte und trägt sie in eine Tabelle ein, die teilweise mit Werten des Flugmusters vorausgefüllt ist.
    • Jeder Umbau / Ausbau / Einbau eines Teils am Flugzeug kann seinen Schwerpunkt verändern. Daher muss jede Veränderung dokumentiert werden und der neue Schwerpunkt immer neu berechnet werden.
  • Jeder Umbau / Ausbau / Einbau eines Teils am Flugzeug kann seinen Schwerpunkt verändern. Daher muss jede Veränderung dokumentiert werden und der neue Schwerpunkt immer neu berechnet werden.

Vorlage: Berechnung des Flugmassenschwerpunktes

Eine Vorlager solcher Art kann für ein Muster verwendet werden zur Berechnung des Flugmassenschwerpunktes vor jedem Flug. Hierin sind bereits etliche feste Werte eingetragen. (Hinweis: Das Massenmoment berechnet sich durch die Multiplikation der Masse mit dem Abstand vom Schwerpunkt.)

MasseAbstand vom SchwerpunktMassenmoment
Leermasse300 kg+43cm12900kgcm
Passagier 1+40cm
Passagier 2+40cm
Gepäck+95cm
Kraftstoff+130cm
Gesamte Flugmasse< 472,5 kg< 24570 kgcm
Aktueller Schwerpunkt< 52 cm

Beispiel: Berechnung des Flugmassenschwerpunktes

Folgendes Beispiel zeigt eine ausgefüllte Vorlage für einen Passagier. Die Gesamtmasse ist im gültigen Bereich. Das Massemoment befindet sich jedoch mit 52,77 cm zu weit hinten, da es für dieses Muster kleiner als 52 cm sein muss. Mit dieser Beladung darf nicht gestartet werden, da das Flugzeug sonst kippinstabil werden kann.

MasseAbstand vom SchwerpunktMassenmoment
Leermasse300 kg+43cm12900 kgcm
Passagier 190 kg+40cm3600 kgcm
Passagier 20 kg+40cm0 kgcm
Gepäck20 kg+95cm2600 kgcm
Kraftstoff60 kg+130cm5700 kgcm
Gesamte Flugmasse470 kg24800 kgcm
Aktueller Schwerpunkt24800 kgcm / 470 kg = 52,77 cm

Leistungsgrenzen während des Fluges

  • Ein V-n-Diagramm zeigt die Lastvielfache bei verschiedenen Geschwindigkeiten an und damit gleichtzeitig, in welchen Bereichen das Flugzeug betrieben werden darf.
  • Die Manövergeschwindigkeit VA ist die maximale Geschwindigkeit, bei der noch das Höhenruder maximal bewegt werden darf.
  • Je geringer die Flugmasse, desto kleiner die Manövergeschwindigkeit.
    • Je leichter das Flugzeug, desto stärker wirkt die vertikale Beschleunigung.
    • Und desto eher werden die Belastungsgrenzen des Höhenruders erreicht.
  • Die Grenzgeschwindigkeit Vno (normal operating speed) ist die konstruktiv maximal zulässige Geschwindigkeit.
  • Die Maximalgeschwindigkeit Vne (never exceed speed) ist die maximale Geschwindigkeit, die niemals überschritten werden sollte.
  • Es gilt also
    • Manövergeschwindigkeit < Grenzgeschwindigkeit < Maximalgeschwindigkeit
    • VA < Vno < Vne

Flächenbelastung und Lastvielfache

  • Die Flächenbelastung = m:A bezeichnet das Verhältniss aus Masse m und der Flügelfläche A.
    • Abflugmasse 400 KG bei Flügelfläche von 10 m 2 ergibt Flächenbelastung von 40 KG pro m 2
  • Das Lastvielfache bezeichnet den Faktor, um den beim Kurvenflug sich das „scheinbare Gewicht“ aufgrund der G-Kräfte erhöht.
  • Im Horizontalflug ist das Lastvielfache 1.
  • Im Kurvenflug vergrößert sich das Lastvielfache um ein Vielfaches der Erdbeschleunigung (g = 9,81 ms -2 ).
  • Das sichere Lastvielfache ist im Flughandbuch definiert und bezeichnet die Lastgrenzen. Beispiel:
    • Maximales positives Lastvielfaches: +4,0 bedeutet, dass beim Hochziehen die 4-fachen Kräfte auf das Flugzeug drücken dürfen. (4g)
    • Maximales negatives Lastvielfaches: -2,0 bedeutet, dass beim Sinken die doppelten Kräfte auf das Flugzeug ziehen dürfen.

Der Bodeneffekt

  • Dicht über dem Boden sind die Strömungsverhältnisse anders, da sich weniger Luft zwischen den Flügeln und dem Boden befindet.
  • Bei einer Höhe von 10% der Spannweite liegt der induzierte Widerstand bei ca. 50%.
  • Bei einer Höhe von mehr als der Spannweite ist der Effekt nicht mehr relevant.

Flugzustand Kurvenflug

  • Im Kurvenflug ist aufgrund der zusätzlich wirkenden Zentrifugalkraft eine höhere Mindestgeschwindigkeit nötig, um die Höhe zu halten.

Flugzustand horizontaler Flug

  • Luftkraft = Auftrieb – Widerstand
  • Bodenkraft = Gewicht + Vortrieb
  • Horizontaler Flug => Luftkraft = Bodenkraft
  • Je schneller, desto kleiner muss der Anstellwinkel für gewünschten Auftrieb sein.
  • Je langsamer, desto höher muss der Anstellwinkel für bestimmten Auftrieb sein.
  • Der geringste Gesamtwiderstand wird bei einem bestimmten Anstellwinkel bei einer bestimmten Geschwindigkeit erreicht.
  • Gleicher Widerstand erfordert gleiche Leistung.
    • Höhere Motorleistung und höhrer Anstellwinkel => genauso schnell wie bei niedrigerer Motorleistung und geringerem Anstellwinkel.
  • Je langsamer man fliegt unterhalb des Punktes, bei dem man am wenigsten Leistung braucht zum Horizontalflug, desto mehr Leistung braucht man, um langsamer zu fliegen.
  • Ohne Motor wird die Vortriebskraft komplett aus der Gewichtskraft genommen.

Luftkraft und Druckpunkt

  • Die Luftkraft ist eine gedachte Kraft als Summe aller Einzelauftriebskräfte. (Der Auftrieb wird für einen Punkt berechnet. Ein Flügel besteht aus vielen Punkten; summiert man alle deren einzelnen Auftriebskräfte, erhält man die Luftkraft des gesamten Flügels.)
  • Der Druckpunkt ist der gedachte Angriffsmittelpunkt der Luftkraft, also „der wirksame Mittelpunkt“ der Kombination aller Einzelauftriebskräfte.
  • Der Druckpunkt ist vom Anstellwinkel abhängig.

Profilpolare

  • Profilpolare zeigen den Zusammenhang an zwischen dem Auftrieb und Widerstand eines Flügels bei verschiedenen Anstellwinkeln.
  • Ein Profilpolar berücksichtigt den Widerstand nur anhand des Flügelprofiles.
  • Ein Flügelpolar berücksichtigt zusätzlich zum Profilpolar den Widerstand des gesamten Flügels.
  • Ein Gesamtpolar berücksichtigt zusätzlich zum Flügelpolar den Restwiderstand durch das gesamte Flugzeug.
  • Damit lassen sich unter anderem folgende Fragen beantworten:
    • Wie hoch ist der maximale Auftriebswert?
    • Bei welchem Anstellwinkel wird der geringte Widerstand erzeugt?
    • Bei welchem Anstellwinkel wird der maximale Auftrieb erreicht?
    • Bei welchem Anstellwinkel bricht der Auftrieb zusammen?

Arten des Widerstands

Formwiderstand / Druckwiderstand

  • Der spezifische Widerstand eines Körpers aufgrund seiner Form.

Reibungswiderstand / Grenzschichtwiderstand

  • Der Widerstand durch die Luftteilchen in der Grenzschicht.
  • Ist in laminarer Grenzschicht geringer als in turbulenter Grenzschicht.
  • Raue Oberfläche haben einen größeren Grenzschichtwiderstand als glatte.
    • Verschmutzungen auf Flügeln (z.B. durch Insekten) beeinflussen dessen Flugeigenschaften.

Profilwiderstand

  • = Druckwiderstand + Grenzschichtwiderstand

Randwiderstand / induzierter Widerstand

  • Durch Verwirbelungen an den Rändern eines Körpers entstehender Widerstand.
  • Ist abhängig von der Form und Lage eines Körpers relativ zur Luftströmrichtung (außer bei einer Kugel).
  • Je größer der Auftrieb, desto größer ist der induzierte Widerstand.
  • Je langsamer das Flugzeug, desto größer ist der induzierte Widerstand.
  • Die Flügelstreckung (= Verhältnis aus Spannweite und mittlere Flügeltiefe) beeinflusst den induzierten Widerstand stark.

Flügelwiderstand

  • = Druckwiderstand + Grenzschichtwiderstand + induzierter Widerstand

Inferenzwiderstand und Gesamtwiderstand

  • Der durch die Kombination der Widerstände sich gegenseitig beeinflussender Widerstand verschiedener Bauteile.
  • Dies ist die Differenz zwischen der Summe aller Einzelwiderstände und dem (gemessenen/“echten“) Gesamtwiderstand.