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Seitenstabilität: V-Flügel und mehr

Diskutiere Seitenstabilität: V-Flügel und mehr im Forum Luftfahrzeuge allgemein auf Flugzeugforum.de


  1. #1
    fanavion

    Avatar von fanavion
    Angeregt dieses Thema zu eröffnen wurde ich durch einen Artikel im AAHS Journal 3/2016, der sich mit dem Werk des englischen Forschers George Cayley befasst. Dieser hatte bereits Anfang des 19. Jahrhundert flugfähige Segelflugmodelle entwickelt, die im Prinzip der heutigen flugmechanischen Auslegung eines Flugzeugs entsprachen.

    Die grundlegende Wirkung der V-Stellung auf die Seitenstabilität ist mir aus Flugmechanik-Lehrbüchern wohl bekannt aber die Aussage, daß Calyley (ich übersetzte) ...entdeckte, daß die Fläche des Flügels nahe am Rumpf einen größeren Auftrieb erzeugen würde als der Abschnitt weiter außen, machte mich stutzig, wie auch die Bemerkung, daß durch diese Anordnung auch der Schwerpunkt unter das Zentrum des Flügels zu liegen kommt und damit die Gesamtstabilität weiter verstärkte.

    Die unterschiedliche Auftriebserzeugung des Innen- und Außenflügels scheint eine unglückliche Formulierung des Autors zu sein, der wohl ein Historiker ist. Ich habe über so einen Effekt der V-Form keinen Hinweis in meinen Büchern und im Internet gefunden.

    Was den Einfluß der Lage des Schwerpunkt auf die Seitenstabilität betrifft, so gibt es verschiedene Meinungen. In vielen Quellen wird von einer Pendelstabilität gesprochen.

    In meinen wissenschaftlichen Flugmechanik-Büchern kommt die tiefe Lage des Schwerpunkts als Ursache eine höheren Seitenstabilität nicht vor. Von Einfluß ist allerdings der Anteil der Netto-Fläche des Seitenleitwerks (und Rumpfes) oberhalb des Schwerpunkts, d.h. heißt der Längsachse.

    Im PPRuNe Forum widerlegt das Mitglied AussieAirman im Thema There is no such thing as "pendulum stability" ..... den angeblichen Pendeleffekt.

    Steve Seibel erklärt in Aeroexperiments auch, daß es keinen Pendeleffekt gibt. http://www.aeroexperiments.org/AEPpendulum.shtml

    Wohingegen es in unserem Forum im Thema Flugeigenschaften Knickflügler heißt

    Zitat Zitat von A.G.I.L Beitrag anzeigen
    Das kann ich aus meiner langjährigen Modellflugerfahrung bestätigen. Hochdecker sind "von Natur aus" stabiler um die Längsachse als Tiefdecker, weil der Grossteil des Gewichts sozusagen "unter der Fläche hängt".
    und
    Zitat Zitat von 78587? Beitrag anzeigen
    Ein Hochdecker bedarf weniger V-Stellung, da wie bereits erwähnt der "Schwerpunkt" unter dem Flügel hängt. Man spricht von Eigenstabilität.
    David Ogilvy schreibt in seinem Buch: Pilot Flying Facts, ich übersetzte: Im Falle eines Hochdeckers bei dem der Flügel beträchtlich weit über dem Schwerpunkt liegt, gibt es einen Pendeleffekt wenn die Maschine schiebt, was die Maschine dazu streben lässt wieder ins Lot zu kommen.

    In dem wissenschaftlichen Aufsatz Modelling the flight dynamics of the hang glider, wird deutlich darauf hingewiesen, daß bei Hängegleitern der seitliche Pendeleffekt der Masse des Piloten die Rollstabilität erhöht, das Thema wird aber nicht weiter ausgeführt.

    Was ist nun richtig ?

    Wer von Euch kann die im o.g Aufsatz über Hängegleiter die dort aufgestellten Bewegungsgleichugen daraufhin analysieren ob der "Pendeleffekt" darin berücksichtigt wird oder nur qualitativ aufgeführt wird.

    Ich habe den Eindruck, daß bei der Begründung des Pendeleffekt meist davon ausgegangen wird, daß die Auftriebskraft am Befstigungspunkt des Flügels angreift und nicht im Schwerpunkt. Oder das sich der Schwerpunkt gewissermaßen um diesen Angriffspunkt dreht. Kann man bei einem Flugzeug überhaupt von einem Pendel sprechen.

    Vielleicht ist in machen Quellen mit dem Begriff Pendeleffekt auch nur eine Umschreibung dafür gemeint, daß beim Hochdecker im allgemeinen die seitliche Anströmfläche oberhalb der Längsachse größer ist als die unterhalb (extrem Catalina Flugboot) und somit beim Schieben in Richtung des hängenden Flügels ein aufrichtendes Moment ensteht ebenso wie "üblicherweise" am Seitenleitwerk.

    Das Hochdecker bei gleichem V-Winkel stabiler um die Längsachse sind als Tiefdecker ist ja auch dadurch begründet, daß beim Schiebeflug die Strömungsverhältnisse am Flügel-Rumpfübergang den Auftrieb am hängenden Flügel gegenüber dem anderen erhöhen, beim Tiefdecker erniedrigen.

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  3. #2
    gero

    Avatar von gero
    Hallo,
    man verwendet halt gerne einfache Denkmodelle zur Erklärung. Und das Pendel kennt jeder. Leider wird dabei vergessen, daß zum Pendel auch seine Achse gehört. Und das Pendel durch seine Lagerung gezwungen ist, sich um genau diese Achse zu drehen. Die Rückstellkräfte, die dann zum Pendeleffekt führen, greifen am Schwerpunkt, also mit einem Abstand von der Drehachse an.
    Anders beim Flugzeug, es ist nirgendwo aufgehängt. Um welche Achsen dreht es sich? Nicht nur per Definition, sondern aufgrund mechanischer Gesetze um Achse(n), die durch den Schwerpunkt gehen. Wo greift die Schwerkraft an? Am Schwerpunkt. Damit kein Abstand von der Drehachse und kein Pendeleffekt (Ich weiß, der Schwerpunkt ist auch nur ein Denkmodell, er bildet das ganze aber sehr gut ab).

    Die Stabilität um die Längsachse, warum Hochdecker weniger V-Form brauchen (Und die richtig dicken Hochdecker sogar negative V-Stellung haben) sind interessante mechanische Sachverhalte. Die Erklärungen haben Anströmverhältnisse und (Schiebe-)Winkel, Abschattungen und Kopplungen verschiedener Bewegungen zur Grundlage. Und sind richtig spannend.

    gero

  4. #3
    fanavion

    Avatar von fanavion
    .....und sind richtig spannend.

    Bestätigt

  5. #4
    arneh


    Zitat Zitat von fanavion Beitrag anzeigen
    Die grundlegende Wirkung der V-Stellung auf die Seitenstabilität ist mir aus Flugmechanik-Lehrbüchern wohl bekannt aber die Aussage, daß Calyley (ich übersetzte) ...entdeckte, daß die Fläche des Flügels nahe am Rumpf einen größeren Auftrieb erzeugen würde als der Abschnitt weiter außen, machte mich stutzig,
    ...

    Die unterschiedliche Auftriebserzeugung des Innen- und Außenflügels scheint eine unglückliche Formulierung des Autors zu sein, der wohl ein Historiker ist. Ich habe über so einen Effekt der V-Form keinen Hinweis in meinen Büchern und im Internet gefunden.
    Nööö, das hat ziemlich sicher nichts mit der V- Form zu tun, sondern entspringt der elliptischen Auftriebsverteilung am Flügel. Das liegt ganz grob gesagt einfach daran, das an der Flügelaußenseite eine Ausgleichsströmung zwischen Tragflügelunterseite (erhöhter statischer Druck) und der Oberseite (reduzierter statischer Druck) über den Randbogen erfolgt.

    Eine starke V- Form könnte diesen Effekt allerdings potenziell etwas verstärken da sie eine generelle Strömung in Richtung Randbogen begünstigt.

  6. #5
    fanavion

    Avatar von fanavion
    Das ist der ausführliche Text im Original

    Building and testing the glider led Cayley to develop two aerodynamic design features that remain in use today, the dihedral and the cambered wing. The dihedral refers to the shape of the wing when viewing it from the front as shown in figure 8.67. The wing forms a shallow ' V' with the fuselage at the center or lowest point. Cayley discovered that the area of the wing closest to the fuselage would provide greater lift while the section farthest from the center created less lift. The asymmetric lift enhanced lateral stability in two ways. When the glider was shifted, either by intentional control or by wind gust, the dihedral had a natural tendency to return to level. This configuration also placed the center of gravity below the center of the wing further enhancing overall stability.

    Ich glaube nach wie vor, daß der Autor sich hier sich nur falsch ausdrückt. Ich will deswegen und wegen einer anderen Stelle im Text mit dem Autor Kontakt aufnehmen. Ich bin dabei zunächst weiterverwiesen worden und hoffe, daß er sich bald meldet.

  7. #6
    Sparrowhawk


    Ist schon spannend: Ich hatte das bisher so verstanden, dass es vom Verhältnis des Auftriebsmittelpunktes zum Schwerpunkt abhängt. Je näher die beiden zueinander liegen, desto agiler um die Längsachse ist das Flugzeug. Wenn der Auftriebsmittelpunkt oberhalb des Schwerpunktes liegt, stabilisiert sich das Flugzeug schneller bei Störungen um die Längsachse.

    Hat man mir Blödsinn erzählt oder habe ich etwas völlig falsch verstanden?

  8. #7
    Flusirainer


    Also ich habe mal irgendwo gelesen, das eine positive V-Stellung dazu führt, das sich das Flugzeug aus geringer Querneigung wieder selbstständig in einen neutralen Bank-Angel bewegt.

    Der Grund soll wohl sein, das die kurveninnere Tragfläche, ihrer waagerechteren Ausrichtung wegen, einen etwas größeren, senkrechten, Auftriebswert erzeugt. Bei Querneigungen darüber hinaus niviliert sich der Unterschied wieder, weil hier die größere Umfangsgschwindigkeit der äußeren Tragfläche den geringeren Auftrieb wieder ausgleicht.



    Was ich mich da frage, wie haben das die Russen mit ihren Tupolews hinbekommen?
    Tiefdecker + negative V-Stellung.

  9. #8
    wilco


    Hallo zusammen!

    Die Akribie, mit der fanavion hier seinen und den Gedanken eines ungenannten Autors in einer Zeitschrift in vielfach verästelter Weise nachspürt, läßt mich befürchten, eher in einen Sumpf zu geraten, als etwas wesentliches zur Aufklärung beitragen zu können.

    Aber, mit aller Vorsicht, nähere ich mich von außen, und versuche dabei, auf festem Grund zu bleiben.

    These 1:
    Aus der eher barocken Formgebung der meisten bekannten Flugzeugentwürfe von Cayley lassen sich die in der Zeitschrift gezogenen Schlüsse kaum ableiten. Ich fand nur einen Entwurf mit einem Rechteckflügel von niedrigem Seitenverhältnis, der unserem Begriff eines Flugzeuges wenigstens nahekommt, und ausgerechnet der zeigt so gut wie keine V-Form. Und, nebenbei, auch keinerlei Schränkung, so daß man mit der elliptischen Auftriebsverteilung hier gar nicht erst zu argumentieren braucht.

    These 2:
    Eine Konzentration des Auftriebs um die Flügelmitte macht Flugzeuge wendiger um die Längsachse, weil die Ruderkräfte der Querruder so besser zur Wirkung kommen. Jeder ka6-Flieger weiß, wie ich das meine. Nun ist "Wendigkeit" aber ein Gegenkonzept zur Stabilität. Daher ist die These aus der Zeitschrift doppelt zweifelhaft.

    These 3:
    Die V-Form bewirkt, daß sich in unbalancierten Schräglagen, also ohne zentrifugalen Ausgleich, unterschiedlich starke Aufriebskomponenten entgegen der Schwerkraft ergeben. Das Ergebnis ist die angestrebte Rückstellkraft = Querstabilität. (nicht "Seitenstabilität", das ist ein Übersetzungsfehler!)

    These 4:
    Der AussieAirman hat nur vordergründig Recht. "There is no such Effect" – jedenfalls im sauberen Geradeausflug und einer sauber geflogenen Kurve. Da steht der Auftriebsvektor immer diametral auf dem Vektor von Gewichts- oder Scheingewichtskraft und es werden keine Seitenkräfte erzeugt, die dann im zweiten Schritt ein aufrichtendes Moment ergeben könnten. Und er hat nur Recht für den Fall, daß der Massenschwerpunkt und der Auftriebsmittelpunkt zusammenfallen. Das sind schon eine Menge Voraussetzungen!

    These 5:
    Sobald der Auftriebsmittelpunkt höher liegt als der Massenschwerpunkt, bekomme ich bei unsauberen Manövern z. B. einer durch Böen induzierten Rollbewegung, selbstverständlich ein Rückstellmoment. Ergo: Stabilität! Wie sollte ich diesen Effekt anders nennen als Pendelwirkung? Man muß ihn nur herausarbeiten und von anderen Effekten sauber getrennt halten.

    These 6:
    Die Praxis schlägt die Aussie-Theorie. Warum haben denn die wirklich großen Transportflugzeuge eine negative V-Form? Weil sie sich sonst vor lauter (Pendel-)Stabilität nicht mehr auf die Backe legen und um die Ecke wollen! Ebenso der Alfajet, als Hochdecker wäre er zu stabil und zu wenig wendig, also gab man ihm das negative V. Fazit: Pendelstabilität existiert, aber als einer von mehreren beitragenden Effekten.

  10. Hallo

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  11. #9
    H.-J.Fischer

    Avatar von H.-J.Fischer
    Zitat Zitat von wilco Beitrag anzeigen
    Ebenso der Alfajet, als Hochdecker ....
    Alpha Jet = Schulterdecker

    Gruß
    Hans-Jürgen

  12. #10
    Flusirainer


    Naja, das bischen Kabinenrest und Verkleidungstunnel, oberhalb der Tragfläche, macht Schwerpunktmäßig sicherlich nicht allzuviel her.

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