Wann ist ein Flugzeug instabil und wann nicht?

Da mich Schorsch gebeten hat, ich soll ein neues Thema zu dieser Frage erstellen und nicht in einem anderen Themenbereich darum diskutieren, frage ich jetzt hier: Wann ist ein Flugzeug instabil und wann nicht. Wie kann man das beeinflussen (mit Hilfe der Schwerpunktverlagerung, etc???).

Vieles was da steht ist doppelt, meist richtig, aber auch unglücklich ausgedrückt.......ziemlich viel und durcheinander.....



Das ist ein sehr ausführliches Thema....um da schon mal den Überblick zu bekommen musst Du Dich schon einige Wochen mit dem Thema Flugmechanik, bzw. Flugregelungen auseinandersetzen......


Möcht nicht die Nacht damit verbringen aber auch was Licht machen:

Hier wird nämlich in mehreren Koordinatensystemen herumgewurschtelt um das ganz rechnerisch genau zu dokumentieren. Aber das sollte man sich des Nachts im stillen Kämmerlein selbst anlesen.

Deshalb nur kurz und knapp und für eine Achse:

Ein Flugzeug ist stabil, solange der Neutralpunkt hinter dem Schwerpunkt liegt.

Das Stabilitätsmaß ist der Abstand des Schwerpunktes vom Neutralpunkt.


Soll Folgendes bedeuten:

Bsp. verlege ich Bleiplatten in meines Flugzeuges Heck,
wandert der Neutralpunkt nach vorne......
Dh. mein Flugzeug "dreht um seinen Schwerpunkt nach oben auf"
Dh. mein Flugzeug arbeitet auch hinfort, in einem kleinen Aktionsradius
Dh. die Reaktion meines Flugzeuges wird "schneller"

....was bei Flugzeugen die z.B. Kampfmanöver fliegen müssen natürlich von Vorteil ist.

hinzu kommt aber auch.....eine Erhöhung des Lastvielfachen was nicht so schön, weil das geht in die Struktur, das kostet Gewicht .....usw.

-----Jetzt kommt die Regelung ins Spiel------

Im obigen Beispiel:

Ein Flugzeug das Reaktionsfreudiger arbeiten kann, ist auch dementsprechend instabiler. (Hier die Bewegung um die Querachse, also dem Nicken)

Für den Menschen alleine zu Reaktionsfreudig auch nicht mehr steuerbar........

Anderes Reglerbeispiel, auch dieser Achse bezogen:

Um jetzt eine Höhenänderung nach oben vorzunehmen (mit dem Höhenruder) ist ein aufnickendes Moment erforderlich. Der Abtrieb am Höhenruder aber geht auf Kosten des Gesamtauftriebes. Der Abtrieb muss also mit dem Auftrieb Flügel kompensiert werden......

Abhilfe: Sowohl Klappen als auch Höhrenruder betätigen. Das sog. Lifting.

Hier ist keine Rotation mehr um den Schwerpunkt erforderlich. Struktur wird nicht wie konventionell belastet, dh. höhere Leistung, geringere Belastung, Gewichtsersparnis.

Sowas ist Manuell nicht fliegbar. Das geht nur mit Regelungssystemen.

Eigendlich Ende

Noch hinzugefügt:

Das ist nur ein kleines Beispiel das vielleicht schon mal ein wenig aufräumt in dem schwer zu lesenden Chaos......natürlich ist damit auch noch lange nicht alles gesagt, die Aerodynamik gar nicht mal angeguckt dabei.....genauso wie irre Verschiebungen des NP´s

Der Weg bis dorthin war lang und schwer. PIO´s waren an der Tagesordnung (Pilot Indicatet Oscillation) .....sorry schorsch..........*gg*

Der gute treue Tornado musste herhalten für viele nette Versuche, 1974 stand er dann mit einem analogen fly-by-wire-Flugregelungssystem das viele Spielereichen schon zuließ.......

1990 Wurde unser EFA geboren *gg* der mit Hilfe eines vierfach redundanten digitalen "fly by wire" Flugregelunssystems künstlich stabilisiert wurde......

Von da an war und ist der Kreativität in Sachen "was können instabile Flugzeuge, was stabile nicht können" keine Grenzen mehr gesetzt......

Hallo Flieger und andere,

das Thema ist tatsächlich bei genauerer Betrachtung nicht trivial, andererseits kann man viele Sachen auch so erklären, dass man es ohne "monatelange Beschäftigung mit dem Thema Flugmechanik" versteht. Das erfolgreiche Vermitteln von Grundlagen der Flugzeugtheorie an "Laien" (konservativ definiert als: Menschen ohne Dipl-Ing vor ihrem Namen ) erfodert stets auch die Überprüfung des eigenen Verständnisses. Man sehe mir nach, dass ich die ganze Sache nicht mit einem fixen Post abfrühstücke, sondern es in mehreren Episoden auftische. Ich komme später noch in ermüdender Detaillierung zu Eurofighter und co.
Die von AMeyer gegebenen Beispiele sind teilweise sehr gut, definitiv von Kennern geschrieben. Allerdings leidet bei dieser Materie die Darstellung oft untere der notwendigen Kürze. Ich werde die oben angegebenen Stichpunkte auch noch abdecken, keine Sorge - und keine Eile.

Nr. 1: Stabilität als solche

Stabil bedeutet allgemein, dass ein System bei einer Störung von selbst wieder in seine Ausgangslage zurückkehrt. Einfachstes Beispiel ist das einer Kugel (siehe Abbildung). Da brauche ich nichts weiter zu zu sagen, oder? (labil = instabil)
1424.jpg

Statisch vs. Dynamisch:
Stabil heißt nicht immer stabil. Im Normalfall reden wir von "statischer" Stabilität. Das heißt, dass in einem System immer eine Kraft auftritt, welche das System in die Ruhelage zurückbringen möchte. "Dynamisch" heißt aber noch mehr. Systeme schwingen, die Kugel wird wenn ausgelenkt nicht einfach beim Erreichen der Mitte stehenbleiben, sie wird auf der anderen Seite weiterrollen. Irgendwann wird sie zur Ruhe kommen.
Wenn ein System nach einer endlichen Zeit zum Stillstand kommt, nennen wir das dann nicht nur statisch stabil, sondern auch dynamisch stabil. Aber es muss nicht so kommen: Es kann auch sein, dass ein System zwar zurück Richtung seiner Ruhelage schwingt, jedoch mit jedem "Durchlauf" sich weiter aufschaukelt. Dann haben wir den Fall eines statisch stabilen aber dynamisch instabilen Systems.

Dazu einige Grundsätze:
Ein statisch instabiles System (siehe Kugel rechts) ist immer dynamisch instabil.
Ein statisch indifferentes System ist auch dynamisch instabil.
Ein statisch stabiles System ist meist dynamisch stabil, muss es aber nicht sein. Bei etwa 95% der Systeme ist es so, aber in einigen Sonderfällen (und huch, in der Luftfahrt gibt es solche) ist es anders.

So, soweit erstmal. Mehr dazu später.

Zitat von PharaoKai

Ich finde die Beschreibung von Jusia schon sehr passend!

Wie ich schon sagte, es geht mir nicht um die Definition von Schwanzlastigkeit und die daraus resultierende Instabilität in der Längsneigung.
Sondern wie ist der Eurofighter konstruiert? Nicht das ich darauf eine genaue Antwort erwarte. Doch nach allem was ich bisher weiß, ist der Eurofighter im horizontalen, unterschallschnellen Geradeausflug nicht Schwanzlastig. (Siehe Beschreibung oben)
Daher dreht sich mir jedes mal der Magen um, wenn jemand behauptet, einschl. der Hersteller in Presseerklärungen, der Eurofighter ist Schwanlastig.
Das ist alles.

G. Andreas

Hallo zusammen
Wie soll ich Schorsch's "Stabilität als solche" interpretieren? Ich komme da ja schon einigermassen draus, aber was hat das genau mit der gesuchten Erklärung .... ist ein Flugzeug stabil... zu tun (ist mir schon klar, dass das Wort Stabilität erklärt hat, aber ich kann das nicht soganz auf die Jets übertragen):?!
Aber danke für die Infos im allgemeinen, ich weiss schon ziemlich mehr

Um einer besseren Einordnung des Themas Hubschrauber und Stabilität dienlich zu sein, habe ich dazu ein Thema im Hubschrauberforum eröffnet. Hier lang

Ich wollte hier mal meine Erfahrungen in dieses Thema einbringen:
bei normalen zweidimensionalen Systemen (z.B. Auto) ist die Stabilitaet meiner Meinung nach gewaehrleistet, wenn der Massenschwerpunkt hinter dem Antriebsschwerpunkt liegt
das Beispiel des LKW, der entweder einen 1 oder auch 2 achsigen Anhaenger zieht oder schiebt, ist absolut anschaulich und auch vollkommen schluessig und stichhaltig
egal was der Anhaenger so veranstaltet oder welche Kraefte (z.B. Wind) auch immer auf ihn einwirken, sollte er gezogen werden, wird er IMMER bestrebt sein, in die stabile, gezogene Richtung zurueck zu kehren
sollte er geschoben werden, ist dies anders, er hat staendig das Bestreben, auszubrechen, ich denke, das liegt auf der Hand
wenn man das nun auf das Flugzeug transformiert, dann kann man dort zumindest erst einmal sagen, dass das Flugzeug ganz allgemein stabil ist, solange die gesamtresultierende Vortriebskraft vor dem Massenschwerpunkt liegt, das Flugzeug also seine Massen "ziehen" muss
das Problem besteht nur darin, dass bei dem Flugzeug eine dritte Dimension dazukommt, und dann wird es etwas komplizierter
ich will versuchen das zu veranschaulichen:
der LKW bewegt sich nur in 2 Dimensionen, er bewegt sich in ihnen frei, und sein Vortrieb ist in diesen 2 Dimensionen in der allerersten Naeherung gleich
es wirken in der X-Richtung etwa vergleichbare Kraefte wie in der Y-Richtung, z.B. Wind
fuer ihn ist seine Haubtbewegungrichtung diejenige, in die er sich gerade ohne Lenkereinschlag bewegt, also die gerade Richtung, und wir nennen sie X-Richtung, lenkt er ein, kommt auch ein Y-Anteil dazu, und schon aendert er seine Richtung, aber der Anhaenger befindet sich, so wie der Gesamtmassenschwerpunkt, immer noch, ich sag mal, ein ganzes Stueck hinter dem Hauptantriebsschwerpunkt (den antreibenden Hinterraedern der Zugmaschine), ich wiederhole, IMMER
also ist das Verhaeltnis des Antriebsschwerpunktes im Verhaeltnis zum Gesamt-Massenschwerpunktes vollkommen Richtungsunabhaengig
nun zum Jagdflugzeug
wuerde, spasseshalber, das Flugzeug wie ein Auto fungieren, also immer nur "auf dem Fahrwerk rollen", dann koennte man es mit dem LKW vergleichen, liegt also der Gesamtmassenschwerpunkt des "fahrwerkrollenden" Jaegers hinter dem Hauptantriebs/Vortriebsschwerpunkt, ist der "fahrwerkrollende" Jaeger stabil, vollkommen stabil in unserem vorgegebenen Sinne;
liegt er jedoch davor, ist er instabil
doch nun zur dritten Dimension
da kommt nun die Kraft dazu, die als notwendige, willkommene Kraft uns erst erlaubt, die dritte Dimension zu nutzen, und das ist die Auftriebskraft, durch die Haupttragflaechen, und, wie beim Eurofighter, auch noch durch die Canards;
also muessen wir, wenn wir nun auch die dritte Dimension mit einfliessen lassen, eben diese Auftriebskraft in der Z-Richtung mit einfliessen lassen, quasi mit verrechnen;
man muss sich ja nur mal vergegenwaertigen, wie ein flugzeug manoevriert;
wenn es eine Kurve fliegen will, dann legt es sich erst auf die Seite, in welche es will, und "nickt" dann quasi nach oben;
wenn man laenger darueber nachdenkt, dann stellt man sehr schnell fest, dass die nickende Bewegung die haupt-Richtungsaendernde Bewegung eines Flugzeuges ist, und es eben nicht wie ein LKW einfach direkt einlenkt (ja ich weiss, es gibt wendige Flugzeuge, die koennen solche Manöver fliegen, aber sowohl solche Kunststuecke als auch Verktorschubantrieb lassen wir zumindest fuer den Moment mal aussen vor)
und noch etwas kommt dazu:
waehrend ein LKW nur seine zwei Dimensionen hat, in denen er NUR seine Bewegungsrichtung aendern kann, sind dem Flugzeug alle Freiheiten Gegeben, nicht nur auch in der dritten, der Z-Richtung seine Bewegungsrichtung zu aendern, sondern auch in allen drei Ebenen, also X (Laengsachse), Y (Quaerachse) und Z (Hochachse) den Winkel zu variieren, und das ist nun das komplizierte daran;
ein LKW kann dies nicht, also sich auf die seite oder auf den Kopf zu stellen;
aber was bedeutet dies nun:
wenn man sich eine Kugel anschaut, so ist ihr Gesamt-Massenschwerpunkt genau im Zentrum, und, was die Einzelschwerkunkte in X, Y und Z-Richtung angeht, AUCH! (vorrausgesatzt, die Dichte der Kugel ist homogen)
wenn man sich jedoch den Gesamt-Massenschwerpunkt eines Objektes anschaut, dass nicht nur eine asymetrische Form hat sondern eine inhomogene Dichte aufgrund unterschiedlicher Materialien und Hohlraeumen/Einbuchtungen, so sollte wirklich jedem sehr schnell klar sein, dass der Gesamtmassenschwerpunkt in keinster Weise mit den Schwerpunkten der einzelnen Achsen uebereinstimmt!
Wuerde man das Flugzeug senkrecht von vorn nach hinten durchschneiden, so wuerde die linke Seite "in etwa" gleich aufgebaut sein wie die rechte, und somit die Resultierende mehr oder weniger genau auf der Hauptvortriebsachse liegt, was ja auch sehr sinnvoll ist; wer wuerde ein Flugzeug fliegen wollen, dass staendig etwas zu einer Seite geneigt ist ^^
sicherlich kann man dem mit etwas mehr Gegensteuern entgegenwirken, oder etwas mehr Sprit auf der anderen Seite transportieren, was ja durch umpumpen auch gemacht wird, oder durch noch andere Massnahmen, aber prinzipiell ist in Y-Richtung eine Symmetrie vorhanden
wenn man den Bug vom Heck trennt, quasi dort senkrecht durchschneidet, wo der Schwerpunkt zwischen Bug und Heck liegt, dann wuerde man recht weit hinten schneiden muessen, da Bug und Heck nicht symmetrisch und auch nicht Massen-Gleichverteilt sind
aehnliches ist zu beobachten, wenn man das Flugzeug horizontal aufschneidet; je nachdem, ob der Jaeger ein Tief- oder Hochdecker ist, wuerde der Schwerpunkt weiter oben oder weiter unten liegen
alle drei resultieren natuerlich im Gesamtmassenschwerpunkt, aber sie liegen nicht all drei zwangslaeufig in genau diesem Punkt, das koennen sie, so wie z.B. bei der Kugel, aber das muessen sie nicht
Nun zum Auftrieb :
dort ist es im gegensatz zum Vortrieb genau anders rum (mir geht es hier nicht um das Prizip des Auftriebs sondern nur darum, wie man stabilitaet oder instabilitaet gewaehrleistet)
dazu eine kleines, vielleicht etwas unsauberes Gleichnis, das es veranschaulichen soll, und ich muss gestehen das ist nun reine Spekulation meinerseits!
man betrachte nur ein klassisches Windrad mit senkrechtem Segel zur automatischen Ausrichtung des Windrades zum Wind:
er drueckt das senkrechtstehende Segel immer dort hin, wo es dem Wind den geringsten Widerstand leistet, damit das Windrad richtig zum Wind steht
das senkrechte Segel wird immer hinter die Drehachse, zur Wind-abgewandten Seite geschoben, dadurch stabilisiert es sich gegenueber dem Wind immer zur neutralen Position
will man also eine instabile Konstruktion, so sollte man den Wind immer vor der Drehachse schieben lassen;
Was bedeutet dies alles nun;
da, wie ich ja weiter oben angefuehrt habe, bei der Diskussion um die Wendigkeit eines Jaegers neben dem Rollen die wichtigste Bewegungsrichtung des Flugzeuges wohl die Nick-Bewegung und dessen Ausfeuhrungsgeschwindigkeit ist, will ich darauf mal ganz konkret eingehen:
meines Erachtens ist fuer diese Bewegung das Flugzeug erst dann instabil und somit gewollt wendig, wenn der Neutralpunkt, also der Auftriebsschwerpunkt vor, und der Vortriebsschwerpunkt hinter dem Horizontal-Massenschwerpunkt liegt; die Canards werden so angestellt, dass sie den Bug des Jaegers mit Hilfe des Luftstroms nach oben druecken, und die Triebwerke die Masse von hinten schieben;
mehr noch, je weiter sowohl der Neutralpunkt vor als auch der Vortriebsschwerpunkt hinter dem Massenschwerpunkt liegt, desto instabiler und somit auch wendiger aber auch unbeherrschbarer wird der Jaeger;
sollte ich Fehler im denken, beschreiben oder beim Vergleichen gemacht haben, so berichtigt mich bitte