🟢 ✈️ Luftfahrt: Flugsteuerung - Aviation: Flight Controls 🚁

Luftfahrt: Flugsteuerung - Aviation: Flight Controls

Als die Luftfahrt reifer wurde und Flugzeugkonstrukteure mehr über Aerodynamik lernten, produzierte die Industrie größere und schnellere Flugzeuge. Daher stiegen die auf die Steuerflächen wirkenden aerodynamischen Kräfte exponentiell an. Um die von Piloten benötigte Steuerkraft handhabbar zu machen, entwarfen Flugzeugingenieure komplexere Systeme. Zunächst wurden hydromechanische Konstruktionen, bestehend aus einem mechanischen Kreislauf und einem hydraulischen Kreislauf, verwendet, um die Komplexität, das Gewicht und die Einschränkungen mechanischer Flugsteuerungssysteme zu reduzieren.

Als die Flugzeuge immer ausgefeilter wurden, wurden die Steuerflächen durch Elektromotoren, Digitalcomputer oder Glasfaserkabel betätigt. Dieses als „Fly-by-Wire“ bezeichnete Flugsteuerungssystem ersetzt die physische Verbindung zwischen den Pilotensteuerungen und den Flugsteuerflächen durch eine elektrische Schnittstelle. Außerdem werden in einigen großen und schnellen Flugzeugen die Steuerungen durch hydraulisch oder elektrisch betätigte Systeme verstärkt. Sowohl bei der Fly-by-Wire- als auch bei der verstärkten Steuerung wird das Gefühl der Steuerreaktion durch simulierte Mittel an den Piloten zurückgemeldet.

Aktuelle Forschung am Dryden Flight Research Center der National Aeronautics and Space Administration (NASA) befasst sich mit Intelligent Flight Control Systems (IFCS). Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines adaptiven neuronalen Netzwerk-basierten Flugsteuerungssystems. IFCS wird direkt auf Rückkopplungsfehler des Flugsteuerungssystems angewendet und bietet Anpassungen zur Verbesserung der Flugzeugleistung im normalen Flug sowie bei Systemausfällen. Mit IFCS ist ein Pilot in der Lage, die Kontrolle zu behalten und ein Flugzeug sicher zu landen, das einen Fehler an einer Steuerfläche oder eine Beschädigung der Flugzeugzelle erlitten hat. Es verbessert auch die Missionsfähigkeit, erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Fluges und erleichtert die Arbeitsbelastung des Piloten. 

Heutige Flugzeuge verwenden eine Vielzahl von Flugsteuerungssystemen. Zum Beispiel verlassen sich einige Flugzeuge in der Kategorie der Sportpiloten auf die Gewichtsverlagerungssteuerung, um zu fliegen, während Ballons eine Standardbrenntechnik verwenden. Hubschrauber verwenden einen Kreisel, um den Rotor in die gewünschte Richtung zu neigen, zusammen mit einem Kollektiv, um die Rotorneigung und Anti-Drehmoment-Pedale zu manipulieren, um das Gieren zu steuern.

Weitere Informationen zu Flugsteuerungssystemen finden Sie im entsprechenden Handbuch für Informationen zu den Flugsteuerungssystemen und Eigenschaften bestimmter Flugzeugtypen. 

Flugsteuerungen

Flugsteuerungssysteme für Flugzeuge bestehen aus primären und sekundären Systemen. Querruder, Höhenruder (oder Stabilisator) und Seitenruder bilden das primäre Steuersystem und sind erforderlich, um ein Flugzeug während des Fluges sicher zu steuern. Flügelklappen, Vorderkantenvorrichtungen, Spoiler und Trimmsysteme bilden das sekundäre Steuersystem und verbessern die Leistungseigenschaften des Flugzeugs oder entlasten den Piloten von übermäßigen Steuerkräften. 

Primäre Flugsteuerung 

Flugzeugsteuersysteme sind sorgfältig entworfen, um eine angemessene Reaktionsfähigkeit auf Steuereingaben bereitzustellen und gleichzeitig ein natürliches Gefühl zu ermöglichen. Bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten fühlen sich die Steuerungen normalerweise weich und träge an, und das Flugzeug reagiert langsam auf Steueranwendungen. Bei höheren Fluggeschwindigkeiten werden die Steuerungen immer fester und die Flugzeugreaktion ist schneller.

Die Bewegung einer der drei primären Flugsteuerflächen (Querruder, Höhenruder oder Stabilisator oder Seitenruder) ändert den Luftstrom und die Druckverteilung über und um das Tragflächenprofil. Diese Änderungen beeinflussen den Auftrieb und den Luftwiderstand, die durch die Kombination Tragflügelprofil/Steuerfläche erzeugt werden, und ermöglichen es einem Piloten, das Flugzeug um seine drei Rotationsachsen zu steuern.

Konstruktionsmerkmale begrenzen die Auslenkung der Flugsteuerflächen. Beispielsweise können Steuerungsstoppmechanismen in die Flugsteuerungsgestänge eingebaut werden, oder die Bewegung der Steuersäule und/oder der Ruderpedale kann begrenzt werden. Der Zweck dieser Konstruktionsgrenzen besteht darin, den Piloten daran zu hindern, das Flugzeug während normaler Manöver versehentlich zu übersteuern und zu überlasten.

Ein richtig konstruiertes Flugzeug ist stabil und während des normalen Manövrierens leicht zu kontrollieren. Steuerflächeneingaben bewirken eine Bewegung um die drei Rotationsachsen. Auch die Stabilitätsarten eines Flugzeugs beziehen sich auf die drei Rotationsachsen.

Querruder

Querruder steuern Rollen um die Längsachse. Die Querruder sind an der äußeren Hinterkante jedes Flügels befestigt und bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung zueinander. Querruder sind durch Kabel, Umlenkhebel, Riemenscheiben und/oder Push-Pull-Rohre mit einem Steuerrad oder Steuerknüppel verbunden. 

Wenn Sie das Steuerrad oder den Steuerknüppel nach rechts bewegen, wird das rechte Querruder nach oben und das linke Querruder nach unten ausgelenkt. Die Aufwärtsauslenkung des rechten Querruders verringert den Sturz, was zu einem verringerten Auftrieb am rechten Flügel führt. Der entsprechende Abwärtsausschlag des linken Querruders erhöht den Sturz, was zu einem erhöhten Auftrieb am linken Flügel führt. Somit bewirkt der erhöhte Auftrieb am linken Flügel und der verringerte Auftrieb am rechten Flügel, dass das Flugzeug nach rechts rollt. 

Ungünstiges Gieren

Da das nach unten ausgelenkte Querruder mehr Auftrieb erzeugt, wie durch das Anheben der Flügel belegt, erzeugt es auch mehr Luftwiderstand. Dieser zusätzliche Luftwiderstand bewirkt, dass der Flügel etwas langsamer wird. Dies führt dazu, dass das Flugzeug in Richtung des Flügels giert, der eine Erhöhung des Auftriebs (und des Luftwiderstands) erfahren hat. Aus Sicht des Piloten ist das Gieren entgegen der Richtung der Querneigung. Das ungünstige Gieren ist ein Ergebnis des unterschiedlichen Luftwiderstands und des geringfügigen Geschwindigkeitsunterschieds zwischen dem linken und dem rechten Flügel.

Das nachteilige Gieren wird bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten ausgeprägter. Bei diesen langsameren Fluggeschwindigkeiten ist der aerodynamische Druck auf den Steuerflächen gering und es sind größere Steuereingaben erforderlich, um das Flugzeug effektiv zu manövrieren. Als Ergebnis verursacht die Erhöhung der Querruderauslenkung eine Erhöhung des nachteiligen Gierens. Das Gieren ist besonders deutlich bei Flugzeugen mit großen Spannweiten. 

Die Anwendung des Ruders wird verwendet, um einem ungünstigen Gieren entgegenzuwirken. Die erforderliche Seitenrudersteuerung ist am größten bei niedrigen Fluggeschwindigkeiten, hohen Anstellwinkeln und bei großen Querruderausschlägen. Wie alle Steuerflächen bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten wird der vertikale Stabilisator/das Seitenruder weniger effektiv und vergrößert die Steuerprobleme, die mit einem ungünstigen Gieren verbunden sind. 

Alle Drehungen werden durch den Einsatz von Querrudern, Seitenrudern und Höhenrudern koordiniert. Das Aufbringen von Querruderdruck ist erforderlich, um das Flugzeug in den gewünschten Querneigungswinkel zu bringen, während gleichzeitiges Aufbringen von Seitenruderdruck erforderlich ist, um dem resultierenden nachteiligen Gieren entgegenzuwirken. Da während einer Kurve mehr Auftrieb erforderlich ist als während eines Geradeausflugs, muss außerdem der Anstellwinkel (AOA) durch Aufbringen eines Höhenrudergegendrucks erhöht werden. Je steiler die Kurve, desto mehr Höhenrudergegendruck wird benötigt. 

Wenn der gewünschte Querneigungswinkel eingestellt ist, sollten Querruder- und Seitenruderdruck entspannt werden. Dies verhindert, dass die Querneigung zunimmt, weil die Ruder von Querruder und Seitenruder in einer neutralen und strömungsgünstigen Position sind. Der Gegendruck des Höhenruders sollte konstant gehalten werden, um die Höhe beizubehalten. Das Ausrollen aus einer Kurve ist dem Einrollen ähnlich, außer dass die Flugsteuerung in die entgegengesetzte Richtung angewendet wird. Quer- und Seitenruder werden in Ausrollrichtung bzw. in Richtung Hochflügel angesetzt. Wenn der Querneigungswinkel abnimmt, sollte der Gegendruck des Höhenruders nach Bedarf verringert werden, um die Höhe beizubehalten. 

In einem Versuch, die Auswirkungen eines ungünstigen Gierens zu reduzieren, haben die Hersteller vier Systeme entwickelt: Differential-Querruder, Frise-Querruder, gekoppelte Querruder und Seitenruder sowie Flaperons.

Differential-Querruder

Bei differentiellen Querrudern wird ein Querruder um einen größeren Abstand angehoben als das andere Querruder und bei einer bestimmten Bewegung des Steuerrads oder Steuerknüppels abgesenkt. Dies erzeugt eine Erhöhung des Widerstands auf dem absteigenden Flügel. Der größere Luftwiderstand ergibt sich aus der Ablenkung des oberen Querruders des absteigenden Flügels in einen größeren Winkel als das untere Querruder des steigenden Flügels. Während ein nachteiliges Gieren reduziert wird, wird es nicht vollständig eliminiert.

Fries-Querruder

Wenn bei einem Frise-Querruder Druck auf das Steuerrad oder den Steuerknüppel ausgeübt wird, schwenkt das angehobene Querruder an einem versetzten Scharnier. Dies projiziert die Vorderkante des Querruders in den Luftstrom und erzeugt Luftwiderstand. Es hilft, den Widerstand auszugleichen, der durch das abgesenkte Querruder auf dem gegenüberliegenden Flügel erzeugt wird, und reduziert ungünstiges Gieren. 

Das Frise-Querruder bildet auch einen Schlitz, sodass die Luft gleichmäßig über das abgesenkte Querruder strömt, wodurch es bei hohen Anstellwinkeln effektiver wird. Querruder vom Frise-Typ können auch so konstruiert sein, dass sie unterschiedlich funktionieren. Wie das Differential-Querruder eliminiert das Querruder vom Frise-Typ nachteiliges Gieren nicht vollständig. Eine koordinierte Seitenruderanwendung ist immer noch erforderlich, wenn Querruder angewendet werden.

Gekoppelte Querruder und Seitenruder

Gekoppelte Querruder und Seitenruder sind verbundene Steuerungen. Dies wird durch Seitenruder-Querruder-Verbindungsfedern erreicht, die helfen, den Querruderwiderstand zu korrigieren, indem sie automatisch das Seitenruder gleichzeitig mit den Querrudern auslenken. Wenn beispielsweise das Steuerrad oder der Steuerknüppel bewegt wird, um eine Linksrolle zu erzeugen, ziehen das Verbindungskabel und die Feder das linke Seitenruderpedal gerade weit nach vorne, um zu verhindern, dass die Nase des Flugzeugs nach rechts giert. Die von den Federn auf das Seitenruder ausgeübte Kraft kann außer Kraft gesetzt werden, wenn es notwendig wird, das Flugzeug zu rutschen.

Flapern 

Flaperons kombinieren beide Aspekte von Klappen und Querrudern. Zusätzlich zur Steuerung des Querneigungswinkels eines Flugzeugs wie herkömmliche Querruder können Flaperons zusammen abgesenkt werden, um ähnlich wie ein spezieller Satz Klappen zu funktionieren. Der Pilot behält separate Bedienelemente für Querruder und Klappen. Ein Mischer wird verwendet, um die separaten Piloteneingaben in diesem einzigen Satz von Steuerflächen, den sogenannten Flaperons, zu kombinieren. Viele Konstruktionen mit Flaperons montieren die Steuerflächen vom Flügel entfernt, um einen ungestörten Luftstrom bei hohen Anstellwinkeln und / oder niedrigen Fluggeschwindigkeiten bereitzustellen.

Aufzug

Das Höhenruder steuert die Neigung um die Querachse. Wie die Querruder kleiner Flugzeuge ist das Höhenruder über eine Reihe mechanischer Verbindungen mit der Steuersäule im Flugdeck verbunden. Eine Rückwärtsbewegung der Steuersäule lenkt die Hinterkante der Höhenruderoberfläche nach oben ab. Dies wird üblicherweise als Aufwärtsfahrposition bezeichnet.

Die Aufwärts-Höhenruderposition verringert die Wölbung des Höhenruders und erzeugt eine nach unten gerichtete aerodynamische Kraft, die größer ist als die normale Heck-nach-unten-Kraft, die im Geradeausflug vorhanden ist. Der Gesamteffekt bewirkt, dass sich das Heck des Flugzeugs nach unten bewegt und die Nase nach oben neigt. Das Nickmoment tritt um den Schwerpunkt (CG) auf. Die Stärke des Nickmoments wird durch den Abstand zwischen Schwerpunkt und Höhenleitwerk sowie durch die aerodynamische Wirksamkeit des Höhenleitwerks bestimmt. Das Bewegen der Steuersäule nach vorne hat den gegenteiligen Effekt. In diesem Fall nimmt die Höhenruderwölbung zu und erzeugt mehr Auftrieb (weniger Heckkraft) am Höhenleitwerk/Höhenruder. Dadurch wird das Heck nach oben bewegt und die Nase nach unten geneigt. Auch hier tritt das Nickmoment um den Schwerpunkt auf. 

Wie bereits erwähnt, sind Stabilität, Leistung, Schublinie und die Position der horizontalen Leitwerksflächen auf dem Leitwerk Faktoren für die Höhenrudereffektivität, die die Steigung steuert. Beispielsweise können die horizontalen Leitwerksflächen in der Nähe des unteren Teils des Seitenleitwerks, am Mittelpunkt oder am höchsten Punkt wie beim T-Leitwerk-Design angebracht sein.

T-Schwanz 

In einer T-Leitwerk-Konfiguration liegt das Höhenruder über den meisten Auswirkungen des Abwinds vom Propeller sowie des Luftstroms um den Rumpf und/oder die Flügel während normaler Flugbedingungen. Der Betrieb der Aufzüge in dieser ungestörten Luft ermöglicht Steuerbewegungen, die über die meisten Flugregime hinweg konsistent sind. T-Heckkonstruktionen sind bei vielen leichten und großen Flugzeugen beliebt geworden, insbesondere bei solchen mit am Rumpf montierten Motoren, da die T-Heckkonfiguration das Heck vom Abgasstoß der Motoren entfernt. Wasserflugzeuge und Amphibien haben oft T-Leitwerke, um die horizontalen Flächen möglichst weit vom Wasser entfernt zu halten. Ein zusätzlicher Vorteil sind reduzierte Geräusche und Vibrationen im Flugzeug. 

Im Vergleich zu Flugzeugen mit herkömmlichem Leitwerk muss das Höhenruder bei einem T-Leitwerk-Flugzeug um eine größere Strecke bewegt werden, um die Nase bei langsamen Geschwindigkeiten um einen bestimmten Betrag anzuheben. Dies liegt daran, dass bei Flugzeugen mit herkömmlichem Heck der Abwind vom Propeller auf das Heck drückt, um das Anheben der Nase zu unterstützen. 

Flugzeugsteuerungen sind so manipuliert, dass eine Erhöhung der Steuerkraft erforderlich ist, um den Steuerweg zu erhöhen. Die zum Anheben der Nase eines Flugzeugs mit T-Leitwerk erforderlichen Kräfte sind größer als die Kräfte, die zum Anheben der Nase eines Flugzeugs mit herkömmlichem Leitwerk erforderlich sind. Die Längsstabilität eines getrimmten Flugzeugs ist für beide Konfigurationen gleich, aber der Pilot muss sich bewusst sein, dass die erforderlichen Steuerkräfte bei langsamen Geschwindigkeiten während Starts, Landungen oder Strömungsabriss größer sind als bei Flugzeugen ähnlicher Größe, die mit herkömmlichen Leitwerken ausgestattet sind. 

Flugzeuge mit T-Leitwerk erfordern auch zusätzliche Designüberlegungen, um dem Problem des Flatterns entgegenzuwirken. Da das Gewicht der horizontalen Flächen oben auf dem vertikalen Stabilisator liegt, verursacht der erzeugte Momentenarm hohe Belastungen auf dem vertikalen Stabilisator, die zu einem Flattern führen können. Ingenieure müssen dies kompensieren, indem sie die Konstruktionssteifigkeit des vertikalen Stabilisators erhöhen, was normalerweise zu einem Gewichtsnachteil gegenüber herkömmlichen Heckkonstruktionen führt.

Beim Fliegen mit einem sehr hohen AOA mit niedriger Fluggeschwindigkeit und einem Heck-Schwerpunkt kann das T-Leitwerk-Flugzeug anfälliger für einen tiefen Strömungsabriss sein. In diesem Zustand trifft der Nachlauf des Flügels auf die Leitwerksfläche und macht es nahezu wirkungslos. Der Flügel, wenn er vollständig abgewürgt ist, lässt seinen Luftstrom direkt nach der Vorderkante abreißen. Das breite Kielwasser verlangsamter, turbulenter Luft bedeckt das horizontale Leitwerk und verringerte daher seine Wirksamkeit erheblich. Unter diesen Umständen ist die Höhenruder- oder Stabilisatorsteuerung reduziert (oder vielleicht eliminiert), was es schwierig macht, sich aus dem Strömungsabriss zu erholen. Es ist zu beachten, dass bei diesen Vorfällen häufig ein achterer Schwerpunkt eine Rolle spielt, da ähnliche Bergungsprobleme auch bei konventionellen Leitwerksflugzeugen mit achterem Schwerpunkt auftreten. Deep Stalls können bei jedem Flugzeug auftreten, treten jedoch eher bei Flugzeugen mit „T“-Hecks auf, da ein hoher AOA wahrscheinlicher dazu führt, dass der getrennte Luftstrom der Flügel in den Weg der horizontalen Oberfläche des Hecks gelangt. Darüber hinaus können der Abstand zwischen den Flügeln und dem Heck, die Position der Triebwerke (z. B. am Heck montiert) die Anfälligkeit für Deepstall-Ereignisse erhöhen. Daher kann ein tiefer Strömungsabriss bei Transportflugzeugen häufiger auftreten als bei Flugzeugen der allgemeinen Luftfahrt.   

Da ein Flug mit hoher AOA bei niedriger Fluggeschwindigkeit und einer hinteren CG-Position gefährlich sein kann, haben viele Flugzeuge Systeme, um diese Situation auszugleichen. Die Systeme reichen von Kontrollanschlägen bis hin zu Höhenruder-Abwärtsfedern. Bei Jets der Transportkategorie werden üblicherweise Stockdrücker verwendet. Eine Höhenruder-Abwärtsfeder hilft beim Absenken der Nase des Flugzeugs, um einen Strömungsabriss zu verhindern, der durch die hintere Schwerpunktposition verursacht wird. Der Strömungsabriss tritt auf, weil das richtig getrimmte Flugzeug mit dem Höhenruder in einer Position mit der Hinterkante nach unten fliegt, wodurch das Heck nach oben und die Nase nach unten gezwungen werden. Wenn das Flugzeug in diesem instabilen Zustand auf Turbulenzen stößt und weiter langsamer wird, positioniert die Trimmflosse das Höhenruder nicht mehr in der Bugposition. Das Höhenruder wird dann stromlinienförmig, und die Nase des Flugzeugs neigt sich nach oben, was möglicherweise zu einem Strömungsabriss führt.

Die Höhenruder-Abwärtsfeder erzeugt eine mechanische Belastung auf das Höhenruder, was bewirkt, dass es sich in Richtung der Nase-nach-unten-Position bewegt, wenn es nicht anderweitig ausbalanciert ist. Die Höhenruder-Trimmflosse gleicht die Höhenruder-Abwärtsfeder aus, um das Höhenruder in einer getrimmten Position zu positionieren. Wenn die Trimmflosse unwirksam wird, treibt die Abwärtsfeder das Höhenruder in eine Position mit der Nase nach unten. Die Nase des Flugzeugs senkt sich, Geschwindigkeit baut sich auf und ein Strömungsabriss wird verhindert.

Das Höhenruder muss auch über ausreichende Autorität verfügen, um die Nase des Flugzeugs während des Roundouts für eine Landung hochzuhalten. In diesem Fall kann ein Vorwärts-CG ein Problem verursachen. Während der Landefackel wird normalerweise die Leistung reduziert, was den Luftstrom über das Leitwerk verringert. Dies, zusammen mit der reduzierten Landegeschwindigkeit, macht den Aufzug weniger effektiv.

stabil

Stabilator ist im Wesentlichen ein einteiliger horizontaler Stabilisator, der von einem zentralen Scharnierpunkt aus schwenkt. Wenn die Steuersäule zurückgezogen wird, hebt sie die Hinterkante des Stabilisators an und zieht die Nase des Flugzeugs. Durch Vorwärtsschieben der Steuersäule wird die Hinterkante des Stabilisators abgesenkt und die Nase des Flugzeugs nach unten geneigt.

Da Stabilisatoren um einen zentralen Gelenkpunkt schwenken, reagieren sie äußerst empfindlich auf Steuereingaben und aerodynamische Belastungen. An der Hinterkante sind Antiservo-Tabs eingebaut, um die Empfindlichkeit zu verringern. Sie lenken in die gleiche Richtung wie der Stabilisator. Dies führt zu einer Erhöhung der zum Bewegen des Stabilisators erforderlichen Kraft, wodurch er weniger anfällig für eine vom Piloten verursachte Übersteuerung wird. Zusätzlich wird meist vor dem Hauptholm ein Ausgleichsgewicht eingearbeitet. Das Ausgleichsgewicht kann in das Leitwerk hineinragen oder kann auf dem vorderen Abschnitt der Stabilisatorspitzen eingebaut sein.

Ente

Das Canard-Design nutzt das Konzept von zwei Hebeflächen. Der Canard fungiert als horizontaler Stabilisator, der sich vor den Hauptflügeln befindet. Tatsächlich ist der Canard ein Tragflächenprofil ähnlich der horizontalen Oberfläche bei einem herkömmlichen Heckheckdesign. Der Unterschied besteht darin, dass der Canard tatsächlich Auftrieb erzeugt und die Nase hochhält, im Gegensatz zum Heck-Heck-Design, das eine nach unten gerichtete Kraft auf das Heck ausübt, um zu verhindern, dass sich die Nase nach unten dreht.

Das Canard-Design stammt aus der Pionierzeit der Luftfahrt. Vor allem wurde es auf dem Wright Flyer verwendet. In letzter Zeit hat die Canard-Konfiguration wieder an Popularität gewonnen und erscheint in neueren Flugzeugen. Canard-Designs umfassen zwei Typen - einen mit einer horizontalen Oberfläche von ungefähr der gleichen Größe wie ein normales Heckheckdesign und den anderen mit einer Oberfläche von ungefähr der gleichen Größe und dem gleichen Tragflächenprofil des hinten montierten Flügels, der als Tandemflügelkonfiguration bekannt ist. Theoretisch wird der Canard als effizienter angesehen, da die Verwendung der horizontalen Oberfläche zum Anheben des Flugzeuggewichts zu einem geringeren Luftwiderstand bei einer bestimmten Auftriebsmenge führen sollte.

Ruder

Das Ruder steuert die Bewegung des Flugzeugs um seine vertikale Achse. Diese Bewegung wird Gieren genannt. Wie die anderen primären Steuerflächen ist das Ruder eine bewegliche Fläche, die in diesem Fall an einer festen Fläche, dem vertikalen Stabilisator oder der Flosse, angelenkt ist. Das Seitenruder wird durch das linke und rechte Seitenruderpedal gesteuert. 

Wenn das Ruder in den Luftstrom ausgelenkt wird, wird eine horizontale Kraft in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt. Durch Drücken des linken Pedals bewegt sich das Ruder nach links. Dies verändert den Luftstrom um das Seitenleitwerk herum und erzeugt einen seitlichen Auftrieb, der das Heck nach rechts bewegt und die Nase des Flugzeugs nach links giert. Die Wirksamkeit des Ruders nimmt mit der Geschwindigkeit zu; daher können große Auslenkungen bei niedrigen Geschwindigkeiten und kleine Auslenkungen bei hohen Geschwindigkeiten erforderlich sein, um die gewünschte Reaktion bereitzustellen. Bei Propellerflugzeugen erhöht jeder Windschatten, der über das Seitenruder strömt, dessen Wirksamkeit.   

V-Leitwerk

Das V-Leitwerk-Design verwendet zwei geneigte Leitwerksflächen, um die gleichen Funktionen wie die Flächen einer herkömmlichen Höhenruder- und Seitenruderkonfiguration auszuführen. Die festen Oberflächen wirken sowohl als horizontale als auch als vertikale Stabilisatoren.

Die beweglichen Flächen, die normalerweise als Rudervatoren bezeichnet werden, sind durch ein spezielles Gestänge verbunden, das es dem Steuerrad ermöglicht, beide Flächen gleichzeitig zu bewegen. Andererseits bewegt die Verschiebung der Ruderpedale die Oberflächen unterschiedlich, wodurch eine Richtungssteuerung bereitgestellt wird. 

Wenn sowohl die Seitenruder- als auch die Höhenrudersteuerung durch den Piloten bewegt werden, bewegt ein Steuerungsmischmechanismus jede Oberfläche um den geeigneten Betrag. Das Steuersystem für das V-Leitwerk ist komplexer als das Steuersystem für ein herkömmliches Leitwerk. Darüber hinaus ist das V-Heck-Design anfälliger für Dutch Roll-Tendenzen als ein herkömmliches Heck, und die Gesamtreduzierung des Luftwiderstands ist minimal. 

Sekundäre Flugsteuerung 

Sekundäre Flugsteuerungssysteme können aus Flügelklappen, Vorderkantenvorrichtungen, Spoilern und Trimmsystemen bestehen.

Klappen

Klappen sind die am häufigsten verwendeten Hochauftriebsvorrichtungen in Flugzeugen. Diese Oberflächen, die an der Hinterkante des Flügels angebracht sind, erhöhen sowohl den Auftrieb als auch den induzierten Widerstand für jeden gegebenen AOA. Klappen ermöglichen einen Kompromiss zwischen hoher Reisegeschwindigkeit und niedriger Landegeschwindigkeit, da sie bei Bedarf ausgefahren und bei Nichtgebrauch in die Flügelstruktur eingefahren werden können. Es gibt vier gängige Arten von Klappen: glatte, geteilte, geschlitzte und Fowler-Klappen.

Die einfache Klappe ist die einfachste der vier Arten. Es erhöht die Schaufelblattwölbung, was zu einer signifikanten Erhöhung des Auftriebskoeffizienten (CL) bei einem gegebenen AOA führt. Gleichzeitig erhöht es den Luftwiderstand erheblich und verschiebt den Druckmittelpunkt (CP) auf dem Flügel nach hinten, was zu einem Nickmoment mit der Nase nach unten führt.

Die geteilte Klappe wird von der unteren Oberfläche des Schaufelblatts abgelenkt und erzeugt eine etwas größere Erhöhung des Auftriebs als die einfache Klappe. Aufgrund des turbulenten Luftmusters, das hinter dem Schaufelblatt erzeugt wird, wird mehr Luftwiderstand erzeugt. Wenn sie vollständig ausgefahren sind, erzeugen sowohl einfache als auch geteilte Klappen einen hohen Luftwiderstand mit wenig zusätzlichem Auftrieb.

Die beliebteste Klappe an Flugzeugen ist heute die geschlitzte Klappe. Variationen dieses Designs werden sowohl für kleine als auch für große Flugzeuge verwendet. Geschlitzte Klappen erhöhen den Auftriebsbeiwert deutlich stärker als einfache oder geteilte Klappen. Bei kleinen Flugzeugen befindet sich das Scharnier unter der Unterseite der Klappe, und wenn die Klappe abgesenkt wird, bildet sich zwischen dem Klappenschacht im Flügel und der Vorderkante der Klappe ein Kanal. Wenn die geschlitzte Klappe abgesenkt wird, wird hochenergetische Luft von der unteren Fläche zur oberen Fläche der Klappe geleitet. Die hochenergetische Luft aus dem Schlitz beschleunigt die Grenzschicht der oberen Oberfläche und verzögert die Luftströmungsablösung, wodurch ein höherer CL bereitgestellt wird. Somit erzeugt die geschlitzte Klappe viel größere Zunahmen des maximalen Auftriebskoeffizienten (CL-MAX) als die einfache oder geteilte Klappe. Während es viele Arten von geschlitzten Klappen gibt, Große Flugzeuge haben oft zwei- und sogar dreifach geschlitzte Klappen. Diese ermöglichen die maximale Erhöhung des Luftwiderstands, ohne dass der Luftstrom über die Klappen den von ihnen erzeugten Auftrieb trennt und zerstört.

Fowler-Klappen sind eine Art Schlitzklappe. Diese Klappenkonstruktion verändert nicht nur die Wölbung des Flügels, sondern vergrößert auch die Flügelfläche. Anstatt sich an einem Scharnier nach unten zu drehen, gleitet es auf Schienen nach hinten. Im ersten Abschnitt seiner Verlängerung erhöht es den Luftwiderstand nur sehr wenig, erhöht jedoch den Auftrieb erheblich, da es sowohl die Fläche als auch den Sturz vergrößert. Piloten sollten sich darüber im Klaren sein, dass das Ausfahren der Klappen je nach Flugzeugtyp ein Nickmoment nach oben oder unten verursachen kann, das der Pilot normalerweise mit einer Trimmungseinstellung ausgleichen muss. Wenn die Verlängerung fortgesetzt wird, lenkt die Klappe nach unten aus. Während des letzten Teils ihres Weges erhöht die Klappe den Luftwiderstand bei geringer zusätzlicher Erhöhung des Auftriebs. 

Spitzengeräte

Hochauftriebsvorrichtungen können auch an der Vorderkante des Strömungsprofils angebracht werden. Die gebräuchlichsten Typen sind feste Schlitze, bewegliche Lamellen, Vorderkantenklappen und Manschetten.

Feste Schlitze leiten den Luftstrom zur oberen Flügeloberfläche und verzögern die Luftstromtrennung bei höheren Anstellwinkeln. Der Schlitz erhöht nicht die Flügelwölbung, ermöglicht jedoch einen höheren maximalen CL, da der Strömungsabriss verzögert wird, bis der Flügel eine größere AOA erreicht.

Bewegliche Vorflügel bestehen aus Vorderkantensegmenten, die sich auf Schienen bewegen. Bei niedrigen Anstellwinkeln wird jeder Vorflügel durch den hohen Druck, der sich an der Vorderkante des Flügels bildet, bündig gegen die Vorderkante des Flügels gehalten. Wenn die AOA zunimmt, bewegt sich der Hochdruckbereich nach achtern unter die Unterseite des Flügels, wodurch sich die Vorflügel nach vorne bewegen können. Einige Vorflügel sind jedoch vorgesteuert und können an jedem AOA eingesetzt werden. Das Öffnen einer Lamelle ermöglicht es der Luft unter dem Flügel, über die obere Oberfläche des Flügels zu strömen, wodurch die Ablösung des Luftstroms verzögert wird. 

Vorderkantenklappen werden wie Hinterkantenklappen verwendet, um sowohl den CL-MAX als auch die Wölbung der Flügel zu erhöhen. Diese Art von Vorderkantenvorrichtung wird häufig in Verbindung mit Hinterkantenklappen verwendet und kann die von letzteren erzeugte Nickbewegung mit der Nase nach unten reduzieren. Wie es bei den Hinterkantenklappen der Fall ist, erhöht eine kleine Erhöhung der Vorderkantenklappen den Auftrieb in einem viel größeren Ausmaß als den Luftwiderstand. Wenn die Klappen ausgefahren werden, nimmt der Luftwiderstand stärker zu als der Auftrieb. 

Vorderkantenmanschetten, wie Vorderkantenklappen und Hinterkantenklappen, werden verwendet, um sowohl den CL-MAX als auch die Wölbung der Flügel zu erhöhen. Im Gegensatz zu Vorderkantenklappen und Hinterkantenklappen sind Vorderkantenmanschetten feste aerodynamische Vorrichtungen. In den meisten Fällen verlängern Vorderkantenmanschetten die Vorderkante nach unten und nach vorne. Dies bewirkt, dass der Luftstrom bei höheren Anstellwinkeln besser an der oberen Oberfläche des Flügels anhaftet, wodurch die Stallgeschwindigkeit eines Flugzeugs verringert wird. Die starre Beschaffenheit der Vorderkantenmanschetten führt zu einem Nachteil bei der maximalen Fluggeschwindigkeit im Reiseflug, aber jüngste Fortschritte in Design und Technologie haben diesen Nachteil verringert.

Spoiler 

Bei einigen Starrflügelflugzeugen werden sogenannte Spoiler mit hohem Luftwiderstand an den Flügeln eingesetzt, um den gleichmäßigen Luftstrom zu stören, den Auftrieb zu verringern und den Luftwiderstand zu erhöhen. Bei Segelflugzeugen werden Spoiler am häufigsten verwendet, um die Sinkgeschwindigkeit für genaue Landungen zu steuern. Bei anderen Flugzeugen werden häufig Spoiler zur Rollsteuerung verwendet, deren Vorteil die Eliminierung von nachteiligem Gieren ist. Um beispielsweise nach rechts abzubiegen, wird der Spoiler am rechten Flügel angehoben, wodurch ein Teil des Auftriebs zerstört und rechts mehr Luftwiderstand erzeugt wird. Der rechte Flügel senkt sich, und das Flugzeug neigt und giert nach rechts. Der gleichzeitige Einsatz von Spoilern an beiden Flügeln ermöglicht es dem Flugzeug, abzusteigen, ohne an Geschwindigkeit zu gewinnen. Es werden auch Spoiler eingesetzt, um die Bodenbewegung nach der Landung zu reduzieren. Indem sie den Auftrieb zerstören, übertragen sie Gewicht auf die Räder und verbessern so die Bremswirkung.

Trimmsysteme

Obwohl ein Flugzeug über einen weiten Bereich von Lagen, Fluggeschwindigkeiten und Leistungseinstellungen betrieben werden kann, kann es so konstruiert werden, dass es nur innerhalb einer sehr begrenzten Kombination dieser Variablen freihändig fliegt. Trimmsysteme werden verwendet, um den Piloten von der Notwendigkeit zu entlasten, einen konstanten Druck auf die Flugsteuerungen aufrechtzuerhalten, und bestehen normalerweise aus Flugdecksteuerungen und kleinen Scharniervorrichtungen, die an der Hinterkante einer oder mehrerer der primären Flugsteuerflächen angebracht sind. Trimmsysteme wurden entwickelt, um die Arbeitsbelastung eines Piloten zu minimieren und unterstützen aerodynamisch die Bewegung und Position der Flugsteuerfläche, an der sie befestigt sind. Übliche Arten von Trimmsystemen umfassen Trimmklappen, Balanceklappen, Antiservoklappen, am Boden einstellbare Klappen und einen einstellbaren Stabilisator. 

Trimmklappen 

Die häufigste Installation bei kleinen Flugzeugen ist eine einzelne Trimmklappe, die an der Hinterkante des Höhenruders befestigt ist. Die meisten Trimmklappen werden manuell über ein kleines, vertikal montiertes Steuerrad betätigt. In einigen Flugzeugen kann jedoch eine Trimmkurbel zu finden sein. Die Flugdecksteuerung enthält eine Trimmklappen-Positionsanzeige. Wenn Sie die Trimmsteuerung in die vollständig nach unten gerichtete Position bringen, bewegt sich die Trimmflosse in ihre vollständig nach oben gerichtete Position. Mit der Trimmflosse nach oben und in den Luftstrom tendiert der Luftstrom über die horizontale Leitwerksfläche dazu, die Hinterkante des Höhenruders nach unten zu drücken. Dadurch bewegt sich das Heck des Flugzeugs nach oben und die Nase nach unten.

Wenn die Trimmflosse auf die vollständig nach oben gerichtete Position eingestellt ist, bewegt sich die Trimmflosse in ihre vollständig nach unten gerichtete Position. In diesem Fall trifft die unter der horizontalen Leitwerksfläche strömende Luft auf die Lasche und zwingt die Hinterkante des Höhenruders nach oben, wodurch der AOA des Höhenruders verringert wird. Dadurch bewegt sich das Heck des Flugzeugs nach unten und die Nase nach oben. 

Trotz der entgegengesetzt gerichteten Bewegung der Trimmflosse und des Höhenruders ist die Kontrolle der Trimmung für einen Piloten natürlich. Wenn der Pilot einen konstanten Gegendruck auf eine Steuersäule ausüben muss, ist die Notwendigkeit einer Nasenspitzentrimmung angezeigt. Das normale Trimmverfahren besteht darin, mit dem Trimmvorgang fortzufahren, bis das Flugzeug ausbalanciert ist und die naselastige Bedingung nicht mehr offensichtlich ist. Piloten stellen normalerweise zuerst die gewünschte Leistung, Nicklage und Konfiguration her und trimmen dann das Flugzeug, um Steuerdrücke abzubauen, die für diesen Flugzustand vorhanden sein können. Wenn sich Leistung, Nicklage oder Konfiguration ändern, ist ein erneutes Trimmen erforderlich, um die Steuerdrücke für die neuen Flugbedingungen zu entlasten. 

Saldo-Registerkarten 

Die Steuerkräfte können bei einigen Flugzeugen übermäßig hoch sein, und um sie zu verringern, kann der Hersteller Ausgleichslaschen verwenden. Sie sehen aus wie Trimmklappen und sind ungefähr an den gleichen Stellen wie Trimmklappen angelenkt. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden besteht darin, dass die Ausgleichslasche mit der Ruderstange gekoppelt ist, so dass sich die Lasche automatisch in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wenn die primäre Ruderfläche in eine beliebige Richtung bewegt wird. Der auf die Lasche auftreffende Luftstrom gleicht einen Teil des Luftdrucks gegen die primäre Steuerfläche aus und ermöglicht es dem Piloten, die Steuerung leichter zu bewegen und die Steuerfläche in Position zu halten.

Wenn die Verbindung zwischen dem Ausgleichsflügel und der feststehenden Oberfläche vom Flugdeck aus einstellbar ist, wirkt der Flügel als eine Kombination aus Trimm- und Ausgleichsflügel, die auf eine gewünschte Auslenkung eingestellt werden kann.

Servo-Tabs 

Servoklappen sind in Betrieb und Aussehen den zuvor besprochenen Trimmklappen sehr ähnlich. Ein Servo-Tab ist ein kleiner Teil einer Flugsteuerfläche, der so eingesetzt wird, dass er hilft, die gesamte Flugsteuerfläche in die Richtung zu bewegen, die der Pilot wünscht. Ein Servo-Tab ist ein dynamisches Gerät, das eingesetzt wird, um die Arbeitsbelastung des Piloten zu verringern und das Flugzeug zu destabilisieren. Servo-Tabs werden manchmal als Flugtabs bezeichnet und werden hauptsächlich in großen Flugzeugen verwendet. Sie helfen dem Piloten, das Ruder zu bewegen und in der gewünschten Position zu halten. Nur der Servovorsprung bewegt sich als Reaktion auf die Bewegung der Flugsteuerung des Piloten, und die Kraft des Luftstroms auf den Servovorsprung bewegt dann die primäre Steuerfläche. 

Antiservo-Tabs 

Antiservo-Tabs funktionieren auf die gleiche Weise wie Balance-Tabs, außer dass sie sich nicht in die entgegengesetzte Richtung, sondern in die gleiche Richtung wie die Hinterkante des Stabilisators bewegen. Zusätzlich zur Verringerung der Empfindlichkeit des Stabilisators fungiert ein Antiservo-Tab auch als Trimmvorrichtung, um den Steuerdruck abzubauen und den Stabilisator in der gewünschten Position zu halten. Das befestigte Ende des Gestänges befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite der Oberfläche von dem Horn auf der Lasche; Wenn sich die Hinterkante des Stabilisators nach oben bewegt, zwingt das Gestänge die Hinterkante der Lasche nach oben. Wenn sich der Stabilisator nach unten bewegt, bewegt sich auch die Lasche nach unten. Umgekehrt bewegen sich Trimmklappen an Höhenrudern gegenüber der Steuerfläche.

Boden verstellbare Laschen 

Viele kleine Flugzeuge haben eine nicht bewegliche Trimmklappe aus Metall am Seitenruder. Diese Lasche wird am Boden in die eine oder andere Richtung gebogen, um eine Trimmkraft auf das Ruder auszuüben. Die richtige Verschiebung wird durch Versuch und Irrtum bestimmt. Normalerweise sind kleine Anpassungen notwendig, bis das Flugzeug im normalen Reiseflug nicht mehr nach links oder rechts rutscht.

Einstellbarer Stabilisator

Anstatt eine bewegliche Lasche an der Hinterkante des Höhenruders zu verwenden, haben einige Flugzeuge einen einstellbaren Stabilisator. Bei dieser Anordnung schwenken Gestänge den horizontalen Stabilisator um seinen hinteren Holm. Dies wird durch die Verwendung einer Hebeschraube erreicht, die an der Vorderkante des Stabilisators angebracht ist. Bei kleinen Flugzeugen wird die Hubschraube mit einem Trimmrad oder einer Kurbel kabelbetätigt. Bei größeren Flugzeugen wird es motorgetrieben. Der Trimmeffekt und die Flugdeckanzeigen für einen einstellbaren Stabilisator ähneln denen einer Trimmflosse.

Autopilot

Der Autopilot ist ein automatisches Flugsteuerungssystem, das ein Flugzeug im Horizontalflug oder auf einem festgelegten Kurs hält. Es kann vom Piloten gesteuert oder mit einem Funknavigationssignal gekoppelt werden. Autopilot reduziert die körperlichen und geistigen Anforderungen an einen Piloten und erhöht die Sicherheit. Die gemeinsamen Funktionen eines Autopiloten sind Höhe und Heading Hold. 

Die einfachsten Systeme verwenden gyroskopische Lageanzeiger und Magnetkompasse, um Servos zu steuern, die mit dem Flugsteuerungssystem verbunden sind. Die Anzahl und Position dieser Servos hängt von der Komplexität des Systems ab. Beispielsweise steuert ein einachsiger Autopilot das Flugzeug um die Längsachse und ein Servo betätigt die Querruder. Ein dreiachsiger Autopilot steuert das Flugzeug um die Längs-, Quer- und Hochachse. Drei verschiedene Servos betätigen Querruder, Höhenruder und Seitenruder. Fortgeschrittenere Systeme enthalten oft einen Haltemodus für die vertikale Geschwindigkeit und/oder die angezeigte Fluggeschwindigkeit. Fortgeschrittene Autopilotsysteme sind über einen Flight Director mit Navigationshilfen gekoppelt.      

Das Autopilotsystem enthält auch eine Trennsicherheitsfunktion, um das System automatisch oder manuell zu deaktivieren. Diese Autopiloten arbeiten mit Trägheitsnavigationssystemen, globalen Positionierungssystemen (GPS) und Flugcomputern, um das Flugzeug zu steuern. Bei Fly-by-Wire-Systemen ist der Autopilot eine integrierte Komponente.