Aerodynamische Kräfte bei Flugmanövern - Aerodynamic Forces in Flight Maneuvers
Kräfte in Kurven
Betrachtet man ein Flugzeug im Geradeausflug von vorne und sieht man die auf das Flugzeug einwirkenden Kräfte, so sind Auftrieb und Gewicht erkennbar: zwei Kräfte. Wenn sich das Flugzeug in einer Querneigung befände, wäre offensichtlich, dass der Auftrieb nicht direkt dem Gewicht entgegenwirkt, sondern jetzt in Richtung der Querneigung wirkt. Eine grundlegende Wahrheit über Kurven ist, dass, wenn das Flugzeug in Schräglage kommt, der Auftrieb nach innen in Richtung der Mitte der Kurve wirkt, sowohl senkrecht zur Querachse als auch nach oben.
Newtons erstes Bewegungsgesetz, das Trägheitsgesetz, besagt, dass ein Objekt, das ruht oder sich in einer geraden Linie bewegt, in Ruhe bleibt oder sich weiterhin in einer geraden Linie bewegt, bis eine andere Kraft auf es einwirkt. Ein Flugzeug benötigt wie jedes sich bewegende Objekt eine seitliche Kraft, um es zu drehen. In einer normalen Kurve wird diese Kraft durch Querneigung des Flugzeugs bereitgestellt, so dass Auftrieb sowohl nach innen als auch nach oben ausgeübt wird. Die Auftriebskraft während einer Kurve wird in zwei rechtwinklig zueinander stehende Komponenten zerlegt. Eine Komponente, die vertikal und entgegengesetzt zum Gewicht (Schwerkraft) wirkt, wird als „vertikale Komponente des Auftriebs“ bezeichnet. Die andere, die horizontal in Richtung der Kurvenmitte wirkt, wird als „horizontale Auftriebskomponente“ oder Zentripetalkraft bezeichnet. Die horizontale Komponente des Auftriebs ist die Kraft, die das Flugzeug aus einer geraden Flugbahn zieht, um es zum Wenden zu bringen. Die Zentrifugalkraft ist die „gleiche und entgegengesetzte Reaktion“ des Flugzeugs auf die Richtungsänderung und wirkt gleich und entgegengesetzt zur horizontalen Komponente des Auftriebs. Dies erklärt, warum bei einer korrekt ausgeführten Kurve die Kraft, die das Flugzeug dreht, nicht vom Seitenruder geliefert wird. Das Ruder wird verwendet, um jede Abweichung zwischen der geraden Spur der Nase und des Hecks des Flugzeugs in den relativen Wind zu korrigieren. Eine gute Kurve ist eine, bei der Nase und Heck des Flugzeugs denselben Weg verfolgen. Wenn in einer Kurve kein Seitenruder verwendet wird, giert die Nase des Flugzeugs zur Außenseite der Kurve. Das Ruder wird verwendet, um in die Kurve zu rollen, um die Nase wieder in eine Linie mit dem relativen Wind zu bringen. Einmal in der Kurve sollte das Ruder nicht benötigt werden. Die Kraft, die das Flugzeug dreht, wird nicht vom Seitenruder geliefert. Das Ruder wird verwendet, um jede Abweichung zwischen der geraden Spur der Nase und des Hecks des Flugzeugs in den relativen Wind zu korrigieren. Eine gute Kurve ist eine, bei der Nase und Heck des Flugzeugs denselben Weg verfolgen. Wenn in einer Kurve kein Seitenruder verwendet wird, giert die Nase des Flugzeugs zur Außenseite der Kurve. Das Ruder wird verwendet, um in die Kurve zu rollen, um die Nase wieder in eine Linie mit dem relativen Wind zu bringen. Einmal in der Kurve sollte das Ruder nicht benötigt werden. Die Kraft, die das Flugzeug dreht, wird nicht vom Seitenruder geliefert. Das Ruder wird verwendet, um jede Abweichung zwischen der geraden Spur der Nase und des Hecks des Flugzeugs in den relativen Wind zu korrigieren. Eine gute Kurve ist eine, bei der Nase und Heck des Flugzeugs denselben Weg verfolgen. Wenn in einer Kurve kein Seitenruder verwendet wird, giert die Nase des Flugzeugs zur Außenseite der Kurve. Das Ruder wird verwendet, um in die Kurve zu rollen, um die Nase wieder in eine Linie mit dem relativen Wind zu bringen. Einmal in der Kurve sollte das Ruder nicht benötigt werden. die Nase des Flugzeugs giert zur Kurvenaußenseite. Das Ruder wird verwendet, um in die Kurve zu rollen, um die Nase wieder in eine Linie mit dem relativen Wind zu bringen. Einmal in der Kurve sollte das Ruder nicht benötigt werden. die Nase des Flugzeugs giert zur Kurvenaußenseite. Das Ruder wird verwendet, um in die Kurve zu rollen, um die Nase wieder in eine Linie mit dem relativen Wind zu bringen. Einmal in der Kurve sollte das Ruder nicht benötigt werden.
Ein Flugzeug wird nicht wie ein Boot oder ein Auto gesteuert. Damit ein Flugzeug wenden kann, muss es geneigt werden. Wenn es nicht geneigt ist, ist keine Kraft verfügbar, um es zu veranlassen, von einer geraden Flugbahn abzuweichen. Umgekehrt, wenn ein Flugzeug in Querlage ist, wendet es, vorausgesetzt, es rutscht nicht zur Innenseite der Kurve. Eine gute Richtungskontrolle basiert auf der Tatsache, dass das Flugzeug versucht, sich zu drehen, wenn es in Schräglage ist. Piloten sollten diese Tatsache berücksichtigen, wenn sie versuchen, das Flugzeug im Geradeausflug zu halten.
Lediglich das Flugzeug in Schräglage in eine Kurve zu bringen, erzeugt keine Änderung in der Gesamthöhe des entwickelten Auftriebs. Da der Auftrieb während der Schräglage in vertikale und horizontale Komponenten unterteilt ist, wird die Auftriebsmenge, die der Schwerkraft entgegenwirkt und das Gewicht des Flugzeugs trägt, reduziert. Folglich verliert das Flugzeug an Höhe, wenn kein zusätzlicher Auftrieb erzeugt wird. Dies geschieht durch Erhöhen des AOA, bis die vertikale Komponente des Auftriebs wieder gleich dem Gewicht ist. Da die vertikale Komponente des Auftriebs mit zunehmendem Querneigungswinkel abnimmt, muss der AOA fortschreitend erhöht werden, um ausreichend vertikalen Auftrieb zu erzeugen, um das Gewicht des Flugzeugs zu tragen. Eine wichtige Tatsache, an die sich Piloten erinnern sollten, wenn sie Kurven mit konstanter Höhe machen, ist, dass die vertikale Komponente des Auftriebs gleich dem Gewicht sein muss, um die Höhe zu halten.
Bei einer gegebenen Fluggeschwindigkeit hängt die Geschwindigkeit, mit der ein Flugzeug dreht, von der Größe der horizontalen Auftriebskomponente ab. Es wurde festgestellt, dass die horizontale Komponente des Auftriebs proportional zum Querneigungswinkel ist – das heißt, sie nimmt zu bzw. ab, wenn der Querneigungswinkel zunimmt oder abnimmt. Wenn der Querneigungswinkel erhöht wird, nimmt die horizontale Komponente des Auftriebs zu, wodurch die Kurvengeschwindigkeit (ROT) erhöht wird. Folglich kann die ROT bei jeder gegebenen Fluggeschwindigkeit durch Einstellen des Querneigungswinkels gesteuert werden.
Um eine vertikale Auftriebskomponente bereitzustellen, die ausreicht, um die Höhe in einer ebenen Kurve zu halten, ist eine Erhöhung des AOA erforderlich. Da der Luftwiderstand des Strömungsprofils direkt proportional zu seiner AOA ist, nimmt der induzierte Luftwiderstand zu, wenn der Auftrieb erhöht wird. Dies wiederum verursacht einen Geschwindigkeitsverlust proportional zum Querneigungswinkel. Ein kleiner Querneigungswinkel führt zu einer geringen Verringerung der Fluggeschwindigkeit, während ein großer Querneigungswinkel zu einer großen Verringerung der Fluggeschwindigkeit führt. Zusätzlicher Schub (Leistung) muss aufgebracht werden, um eine Verringerung der Fluggeschwindigkeit in Kurven zu verhindern. Die erforderliche Menge an zusätzlichem Schub ist proportional zum Querneigungswinkel.
Um den zusätzlichen Auftrieb zu kompensieren, der sich ergeben würde, wenn die Fluggeschwindigkeit während einer Kurve erhöht würde, muss die AOA verringert oder der Querneigungswinkel erhöht werden, wenn eine konstante Höhe beibehalten werden soll. Wenn der Querneigungswinkel konstant gehalten wird und die AOA abnimmt, nimmt die ROT ab. Um bei zunehmender Fluggeschwindigkeit eine konstante ROT aufrechtzuerhalten, muss die AOA konstant bleiben und der Querneigungswinkel erhöht werden.
Eine Erhöhung der Fluggeschwindigkeit führt zu einer Erhöhung des Kurvenradius, und die Zentrifugalkraft ist direkt proportional zum Kurvenradius. Bei einer korrekt ausgeführten Kurve muss die horizontale Auftriebskomponente genau gleich und entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft sein. Wenn die Fluggeschwindigkeit in einer Kurve mit konstanter Geschwindigkeit erhöht wird, nimmt der Radius der Kurve zu. Diese Vergrößerung des Wenderadius bewirkt eine Erhöhung der Zentrifugalkraft, die durch eine Erhöhung der horizontalen Auftriebskomponente ausgeglichen werden muss, die nur durch Erhöhung des Querneigungswinkels erhöht werden kann.
Bei einer Schlupfkurve dreht das Flugzeug nicht mit der Geschwindigkeit, die für die verwendete Querneigung geeignet ist, da das Flugzeug zur Außenseite der Wendeflugbahn hin giert. Das Flugzeug ist für den ROT zu stark geneigt, sodass die horizontale Auftriebskomponente größer als die Zentrifugalkraft ist. Das Gleichgewicht zwischen der horizontalen Auftriebskomponente und der Zentrifugalkraft wird entweder durch Verringern der Querneigung, Erhöhen der ROT oder einer Kombination der beiden Änderungen wiederhergestellt.
Eine Schleuderkurve ergibt sich aus einem Übermaß an Zentrifugalkraft über der horizontalen Auftriebskomponente, wodurch das Flugzeug zur Außenseite der Kurve gezogen wird. Die ROT ist zu groß für den Querneigungswinkel. Die Korrektur einer Schleuderkurve beinhaltet somit eine Verringerung der ROT, eine Erhöhung der Querneigung oder eine Kombination der beiden Änderungen.
Um eine gegebene ROT beizubehalten, muss der Querneigungswinkel mit der Fluggeschwindigkeit variiert werden. Dies wird besonders wichtig bei Hochgeschwindigkeitsflugzeugen. Beispielsweise muss ein Flugzeug bei 400 Meilen pro Stunde (mph) ungefähr 44° geneigt werden, um eine Wende mit Standardgeschwindigkeit (3° pro Sekunde) auszuführen. Bei diesem Querneigungswinkel machen nur etwa 79 Prozent des Auftriebs des Flugzeugs die vertikale Komponente des Auftriebs aus. Dies führt zu einem Höhenverlust, es sei denn, der AOA wird ausreichend erhöht, um den Verlust des vertikalen Auftriebs zu kompensieren.
Kräfte in Anstiegen
Für alle praktischen Zwecke ist der Auftrieb des Flügels in einem stationären normalen Steigflug derselbe wie in einem stationären Horizontalflug mit der gleichen Fluggeschwindigkeit. Obwohl sich die Flugbahn des Flugzeugs geändert hat, als der Steigflug hergestellt wurde, kehrt die AOA des Flügels in Bezug auf die geneigte Flugbahn auf praktisch die gleichen Werte zurück, ebenso wie der Auftrieb. Es gibt eine anfängliche momentane Änderung, wie in Abbildung gezeigt. Während des Übergangs vom Geradeausflug zum Steigflug tritt eine Änderung des Auftriebs auf, wenn zum ersten Mal Druck auf das hintere Höhenruder ausgeübt wird. Das Anheben der Nase des Flugzeugs erhöht die AOA und erhöht kurzzeitig den Auftrieb. Der Auftrieb ist in diesem Moment jetzt größer als das Gewicht und beginnt das Flugzeug zu steigen. Nachdem sich die Flugbahn auf der Aufwärtsneigung stabilisiert hat, kehren die AOA und der Auftrieb wieder ungefähr zu den Werten für den Horizontalflug zurück.
Wenn in den Steigflug ohne Änderung der Leistungseinstellung eingetreten wird, nimmt die Fluggeschwindigkeit allmählich ab, da der Schub, der erforderlich ist, um eine bestimmte Fluggeschwindigkeit im Horizontalflug aufrechtzuerhalten, nicht ausreicht, um die gleiche Fluggeschwindigkeit im Steigflug aufrechtzuerhalten. Wenn die Flugbahn nach oben geneigt ist, wirkt eine Komponente des Flugzeuggewichts in der gleichen Richtung wie und parallel zu dem Gesamtwiderstand des Flugzeugs, wodurch der effektive Gesamtwiderstand erhöht wird. Folglich ist der effektive Gesamtwiderstand größer als die Leistung und die Fluggeschwindigkeit nimmt ab. Die Verringerung der Fluggeschwindigkeit führt allmählich zu einer entsprechenden Verringerung des Luftwiderstands, bis der Gesamtwiderstand (einschließlich der in die gleiche Richtung wirkenden Gewichtskomponente) dem Schub entspricht. Aufgrund des Impulses ist die Änderung der Fluggeschwindigkeit allmählich und variiert erheblich mit Unterschieden in Flugzeuggröße, Gewicht, Gesamtwiderstand und anderen Faktoren.
Im Allgemeinen werden die Schub- und Widerstandskräfte sowie der Auftrieb und das Gewicht wieder ausgeglichen, wenn sich die Fluggeschwindigkeit stabilisiert, jedoch auf einem niedrigeren Wert als im Geradeausflug bei der gleichen Leistungseinstellung. Da das Gewicht des Flugzeugs im Steigflug nicht nur nach unten, sondern mit Luftwiderstand nach hinten wirkt, ist zusätzliche Leistung erforderlich, um die gleiche Fluggeschwindigkeit wie im Horizontalflug aufrechtzuerhalten. Die Kraft hängt vom Steigwinkel ab. Wenn der Anstieg so steil ist, dass nicht genügend Leistung zur Verfügung steht, ergibt sich eine langsamere Geschwindigkeit.
Der für einen stabilisierten Steigflug erforderliche Schub entspricht dem Luftwiderstand plus einem Prozentsatz des Gewichts, der vom Steigwinkel abhängt. Zum Beispiel würde ein Anstieg um 10° einen Schub erfordern, der dem Luftwiderstand plus 17 Prozent des Gewichts entspricht. Um gerade nach oben zu klettern, wäre ein Schub erforderlich, der dem gesamten Gewicht und Luftwiderstand entspricht. Daher hängt der Steigwinkel für die Steigleistung von der Menge an überschüssigem Schub ab, der verfügbar ist, um einen Teil des Gewichts zu überwinden. Beachten Sie, dass Flugzeuge aufgrund von übermäßigem Schub einen Steigflug aushalten können. Wenn der überschüssige Schub weg ist, kann das Flugzeug nicht mehr steigen. An diesem Punkt hat das Flugzeug seine „absolute Obergrenze“ erreicht.
Kräfte im Abstieg
Wie beim Steigflug erfahren die auf das Flugzeug wirkenden Kräfte deutliche Änderungen, wenn aus dem Geradeausflug in einen Sinkflug eingetreten wird. Für das folgende Beispiel sinkt das Flugzeug mit der gleichen Leistung wie beim Geradeausflug.
Wenn Vorwärtsdruck auf das Steuerhorn ausgeübt wird, um den Sinkflug einzuleiten, wird die AOA vorübergehend verringert. Anfänglich bewirkt der Schwung des Flugzeugs, dass das Flugzeug kurzzeitig entlang der gleichen Flugbahn weiterfährt. Für diesen Moment nimmt der AOA ab, wodurch der Gesamtauftrieb abnimmt. Da das Gewicht jetzt größer ist als der Auftrieb, beginnt das Flugzeug zu sinken. Gleichzeitig geht die Flugbahn von der Ebene in eine absteigende Flugbahn über. Verwechseln Sie eine Verringerung des Auftriebs nicht mit der Unfähigkeit, ausreichend Auftrieb zu erzeugen, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten. Die Flugbahn wird mit verfügbarem Schub in Reserve und mit dem Höhenruder manipuliert.
Um mit der gleichen Fluggeschwindigkeit wie beim Geradeausflug abzusinken, muss die Leistung beim Eintritt in den Sinkflug reduziert werden. Beim Eintreten in den Sinkflug nimmt die nach vorne entlang der Flugbahn wirkende Gewichtskomponente mit zunehmendem Sinkwinkel zu und umgekehrt nimmt beim Einpendeln die entlang der Flugbahn wirkende Gewichtskomponente mit abnehmendem Sinkwinkel ab.
