Schwerpunkt

Diskutiere Schwerpunkt im Luftfahrzeugtechnik u. Ausrüstung Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Hallo Ihr Lieben, in meinem Lehrbuch für die PPL steht folgendes: Ungünstige Flugeigenschaften, wenn der Schwerpunkt VOR dem zulässigen...

Moderatoren: Skysurfer
  1. #1 ocean, 11.10.2010
    Zuletzt bearbeitet: 11.10.2010
    ocean

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    Hallo Ihr Lieben,

    in meinem Lehrbuch für die PPL steht folgendes:
    Ungünstige Flugeigenschaften, wenn der Schwerpunkt VOR dem zulässigen Bereich liegt:
    - Höhere Überziehgeschwindigkeit
    - Höherer Steuerdruck am Höhenruder


    Ungünstige Flugeigenschaften, wenn der Schwerpunkt HINTER dem zulässigen Bereich liegt:
    - Kaum spürbarer Steuerdruck am Höhenruder, das Flugzeug kann deshalb unbeabsichtigt überbelastet werden (zu hohe G-Belastung?


    Ich habe hier nur die Eigenschaften aufgelistet, die ich nicht verstanden habe! Jetzt also meine Fragen:
    - Warum kommt es, wenn der Schwerpunkt vor dem zulässigen Bereich liegt zu einer höheren Stallgeschwindigkeit? Wäre das nicht auch der Fall, wenn der Schwerpunkt hinter dem zulässigen Bereich liegt?
    - Was ist mit dem Steuerdruck? Meines Erachtens habe ich doch in beiden Fällen einen erhöhten Steuerdruck: im ersten Fall "ziehe" ich doch und im zweiten Fall muss ich doch vermehrt "drücken", sprich die Nase nach unten korrigieren, oder? Und was hat es mit der Überbelastung auf sich?

    Und noch eine andere Frage. Warum sind im Horizontalflug der Vortrieb und der Widerstand gleich????? Dann würde nach meinem Verständnis das Flugzeug sich doch nicht vorwärts bewegen????!!!!!!

    Vielen Dank für Eure Mühe! Und bitte: für Blöde erklären!!!!!!!:confused::?!


    Liebe Grüße

    Vanessa
     
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  3. #2 Schorsch, 11.10.2010
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    Hallo Vanessa,

    diese Aussage gilt nur für den unbeschleunigten Flug. Dein Flieger produziert Widerstand. Dieser würde ihn langsamer machen. Wenn dem aber ein gleichgroßer Antrieb gegenüber steht, dann passiert nichts. Dein Flugzeug wird nicht langsamer.
    Beim Start gilt das natürlich nicht, der Vortrieb ist deutlich größer als der Widerstand, denn sonst würdest Du Dich nicht nach vorne bewegen.

    Etwas physikalischer: Widerstand und Vortrieb sind Kräfte.
    Es gilt:
    F_Vortrieb = F_Widerstand
    oder
    F_Vortrieb - F_Widerstand = 0

    Wäre es anders, dann würde gelten:
    F_Vortrieb - F_Widerstand = F_Resultierend.

    Beschleunigung = F_Resultierend / Masse
    Geschwindigkeit_nachher = Geschwindigkeit_vorher + Beschleunigung * Zeitintervall.

    Wenn F_Resultierend = 0 ist (also wie im Buch geschrieben), dann ist:
    Geschwindigkeit_vorher = Geschwindigkeit_nachher


    Dass mit der höheren Überziehgeschwindigkeit verstehe ich auch nicht.
     
  4. #3 Intrepid, 11.10.2010
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    Wenn der Schwerpunkt vor dem Punkt liegt, an dem man sich den Auftrieb gesammelt vorstellt (also an dem das Flugzeug quasi an einem Faden aufgehangen ist), so muss das Höhenruder Abtrieb erzeugen, damit die Flugzeugnase nicht nach unten fällt. Man spürt davon nichts, denn man trimmt sich ja das Flugzeug aus. Aber die Tragflächen spüren dass, denn sie müssen nun zusätzlich zum Gewicht des Flugzeuges auch noch für den am Höhenruder erzeugten Abtrieb Auftrieb erzeugen. Daraus resultiert eine höhere Abrissgeschwindigkeit.

    Airbus zum Beispiel hat das erkannt und pumpt während des Fluges Kraftstoff in das Höhenruder. Dann wandert der Schwerpunkt nach hinten und das Höhenruder muss nicht mehr so viel Abtrieb erzeugen. Spart signifikant Treibstoff.

    Jetzt kommt natürlich die Frage, warum nicht immer das Höhenruder Auftrieb anstatt Abtrieb erzeugen lassen? Na ja, wenn das Flugzeug langsam fliegt und das Höhenruder verliert seine Kraft, dann würde das Flugzeug nach hinten kippen anstatt nach vorne, würde ganz langsam werden anstatt schneller, und wäre nicht mehr steuerbar: Absturz!
     
  5. #4 Schorsch, 11.10.2010
    Zuletzt bearbeitet: 11.10.2010
    Schorsch

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    Folgende Zeilen sollte die werte Vanessa lieber überlesen.

    Die Abrissgeschwindigkeit bestimmt sich aus den Eigenschaften des Profils. Wenn ein bestimmter Auftriebsbeiwert überschritten wird ist Schluss (dies kann man speziell bei den einfachen GA-Flugzeugen so sagen). Wenn ich also sage, dass vorderer Schwerpunkt bei gleicher Geschwindigkeit ein höheres CA (= Auftriebsbeiwert) erfordert, würde das eher niedrigere Abrissgeschwindigkeiten begründen. Man gibt in der Regel eine Geschwindigkeit an, bei der Stall auftritt (VS1G). Diese würde bei vorderen Schwerpunktslagen - jedenfalls nach meinem physikalischen Verständnis - eher niedriger sein.

    Beim A320 bringt es nichts, steht so im Manual und in einschlägigen Airbus-Dokumenten. Zwar ändert sich der Gesamtwiderstand auch beim A320 mit wandernden Schwerpunkt, aber das ganze ist mehr "fuzzy".
    Bei großen Flugzeugen trifft Deine Aussage zu, jedoch reden wir hier von etwa 1% Ersparnis (Aussage A330 Briefing von Airbus). Boeing hat bei der B767 und B777-200ER komplett auf einen Tail-Tank verzichtet.
     
  6. #5 Intrepid, 12.10.2010
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    Tja, so genau steige ich dann auch nicht durch. Ich rechne wie ein Milchmädchen:

    Beispiel

    1000 kg wiegt mein Flugzeug,
    Höhenruder erzeugt 100 kg Abtrieb,
    dann muss die Tragfläche 1100 kg Auftrieb erzeugen.

    Für 1100 kg muss ich schneller fliegen als für 1000 kg, wenn das Höhenruder in Punkto Auf- oder Abtrieb neutral wäre.
     
  7. #6 Del Sönkos, 12.10.2010
    Del Sönkos

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    Liegt der Schwerpunkt vor dem zulässigen Bereich, muss der Drehmoment nach vorn durch mehr Abtrieb des Höhenruders ausgeglichen werden. Das bedeutet einen höhren Gesamtwiderstand und mehr Verbrauch (wie oben schon geschrieben).
    Bei Vs reicht dann der Abtrieb des Höhenruders eben nicht mehr aus, das zusätzliche Drehmoment nach vorn auszugleichen und das Flugzeug kippt nach vorne weg. Dass Höhenruder bei vorderer Schwerpunktlage kann nicht gleichzeitig genung Abtrieb und Drehmomentausgleich erzeugen und das Flugzeug kippt vor der Vs ab.
    Eine vordere Schwerpunktlade ist aber nicht so gefährlich wie eine hintere, da dass Flugzeug nach vorn stabil abkippt, Fahrt aufholt und beim Anliegen von genug Strömung wieder genung Auftrieb hat.
    Die hintere Schwerpunktlade ist gefährlicher, weil du beim Stall es nicht mehr schaffst zu recovern, da beim Flachtrudeln das Seitenruder wirkungslos bleibt und das Trudeln durch das Drehmoment nach hinten dieses noch verstärkt. Da das Flugzeug mit hinterer Schwerpunktlage effizienter fliegt, tritt der Stall wahrscheinlich später, auf jeden Fall nicht früher ein.
     
  8. ocean

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    Hallo Jungs,


    vielen Dank für Eure Hilfe! Das mit der höheren Überziehgeschwindigkeit habe ich jetzt verstanden!
    Aber zwei Fragen sind für mich noch nicht ganz geklärt:

    - Was ist mit dem Steuerdruck? Meines Erachtens habe ich doch in beiden Fällen(Lage des Scherpunktes vor und hinter dem zulässigen Bereich einen erhöhten Steuerdruck: im ersten Fall "ziehe" ich doch und im zweiten Fall muss ich doch vermehrt "drücken", sprich die Nase nach unten korrigieren, oder? Und was hat es mit der Überbelastung auf sich?


    - zum unbeschleunigten Horizontalflug: (wahrscheinlich denke ich physikalisch völlig falsch, aber es leuchtet mir noch nicht ganz ein) : Wenn mein Vortrieb gleich dem Widerstand ist, dann müsste mein Flugzeug doch theoretisch in der Luft stehen bleiben, oder?


    Tausend Dank für Eure Hilfe!

    Vanessa
     
  9. L29

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    du hast da einen kleinen Denkfehler drin, wenn Schub gleich Widerstand ist dann beschleunigt dein Flugzeug nicht, dass es langsamer wird, bzw. stehen bleibt muss der Widerstand größer als der Schub/Vortrieb sein
     
  10. ocean

    ocean Flugschüler

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    Oh ja, stimmt! Jetzt hab ichs verstanden!!!!!! Vielen Dank L29!
     
  11. #10 happy-landings, 12.10.2010
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    Genau darum geht es - der zum Trimmen nötige Abtrieb am Höhenleitwerk muss, damit die Gesamtauftriebsbilanz stimmt, am Flügel durch höheren Auftrieb kompensiert werden (womit der Flügel mehr Auftrieb erzeugen muss als das Flugzeug wiegt!!!). Das ist gleichbedeutend mit einer "virtuellen Gewichtserhöhung", und da mit steigendem Gewicht auch die Abrissgeschwindigkeit steigt, bedeutet eine vordere Schwerpunktslage eine höhere Abrissgeschwindigkeit. Ist eine meiner Lieblings-Prüfungsfragen :)

    Über den Steuerdruck muss ich auch nochmal einen Augenblick nachdenken.
     
  12. #11 happy-landings, 12.10.2010
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    Stimmt ja gar nicht :TD: weil nämlich, wenn Du bei gleicher Geschwindigkeit ein höheres CA brauchst, heißt das, dass Du bei gleicher Geschwindigkeit dem CA,max schon näher bist als zuvor. Du hast also weniger "Luft" zum CA,max und damit weniger Fahrtreserve, die Du noch verlieren darfst. Das ist gleichbedeutend mit einer höheren Abrissgeschwindigkeit.
     
  13. #12 happy-landings, 12.10.2010
    Zuletzt bearbeitet: 12.10.2010
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    Übrigens fällt mir gerade ein, dass es für manche Boeing-Flugzeuge die Möglichkeit gibt, sie mit einem "Alternate Forward Center of Gravity" zu zertifizieren, wobei die vordere Schwerpunktsgrenze nach hinten geschoben wird. Dadurch sinkt die zertifizierte Abrissgeschwindigkeit, was gleichbedeutend mit einer Verkürzung der Start- und Landestrecken ist. Nebenbei wird dadurch auch der Trimmwiderstand verringert*), was die Gleitzahl verbessert und so für bessere Steigleistungen sorgt - für kurze Pisten im Gebirge lohnt sich das also schon mal.

    --
    *) Hinterere SP-Lage, dadurch weniger Abtrieb am Höhenleitwerk, weniger Auftrieb am Flügel => weniger induzierter Widerstand an Leitwerk und Flügel.
     
  14. cool

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    Nochmal für mich zum Verständniss, ich hab irgendwie grade einen Knoten im Kopf:

    1. Ist das Gewicht höher (physikalisch durch mehr Gewicht, oder "virtuell" durch einen weiter vorne liegenden CG) muss das entsprechend "kompensiert" werden.
    Wenn F=Ca*A*q/2*v² ist, dann könnte man das mir ändern des Ca Werts tun (Flaps oder auch Anstellwinkel) oder durch ändern der Geschwindigkeit.

    2. In beiden Fällen sinkt die Differenz zwischen aktuell geflogener Geschwindigkeit zur Geschwindigkeit bei die sich die Strömung vom Profil löst.
    Das steigen dieser Geschwindigkeit ist die gestiegene Abrissgeschwindigkeit, oder?

    Inwiefern hat da die Flächenbelastung Einfluss drauf?
     
  15. #14 happy-landings, 12.10.2010
    happy-landings

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    Also. Die Geschwindigkeit, bei der sich die Strömung vom Profil löst, ist die Abrissgeschwindigkeit. Sie ist abhängig vom aktuellen Gewicht des Flugzeuges und von den Eigenschaften des Flügels. Der Flügel hat einen maximal erreichbaren Auftriebsbeiwert, dem ein fester Anstellwinkel zugeordnet ist*). Je nachdem, wie schwer das Flugzeug ist, erreiche ich diesen Auftriebsbeiwert im Horizontalflug bei verschiedenen Geschwindigkeiten. Es gilt:

    V_Stall = (2 * m * g / (rho * S * CA,max))^0.5

    Wenn wir davon ausgehen, dass CA,max und die Fläche S unverändert bleiben, bedeutet ein höheres Gewicht m*g eine höhere Abrissgeschwindigkeit V_Stall. Da man m*g / S auch als Fächenbelastung schreiben kann, bedeutet auch eine höhere Flächenbelastung eine höhere Abrissgeschwindigkeit. Und wie ich vorhin schon versucht habe zu erklären, hängen Flächenbelastung und Schwerpunktslage über die Kraft am Höhenleitwerk zusammen.

    Das Problem ist, dass man die Vereinfachung "Auftrieb = Gewicht" A=m*g für den Horizontalflug eigentlich nur dann verwenden darf, wenn man für A den Gesamtauftrieb ansetzt. Der setzt sich aber zusammen aus dem Flügel(+rumpf)auftrieb A_FR und dem Höhenleitwerksauftrieb A_HLW. In manchen Fällen muss A_HLW negativ sein (also Abtrieb), damit das Flugzeug ausgetrimmt (ohne Drehmomente) fliegen kann. Das ist dann der Fall, wenn der Massenschwerpunkt VOR dem Angriffspunkt des Flügelauftriebs liegt. Man sieht sofort, dass man in diesem Fall am HLW "nach unten" drücken muss, damit der Flieger sich nicht auf die Nase stellt.

    Wenn nun aber gilt

    m*g = A_FR + A_HLW

    und A_HLW negativ ist, dann muss A_FR größer sein als nur m*g. Somit trägt der Flügel mehr Last als nur das Gewicht des Flugzeuges, muss also bei höherem CA (näher am Stall) betrieben werden als nur des Gewichtes wegen notwendig. Die Abrissgeschwindigkeit steigt nun, weil der Zähler des Bruches größer ist (A_HLW ist negativ, "virtuelle Gewichtserhöhung"!):

    V_Stall,neu = (2 * (m * g - A_HLW)/ (rho * S * CA,max))^0.5

    Langer Beitrag; hoffe das schafft mehr Klarheit :)

    --
    *) Wenn wir Machzahl-Effekte und ähnlichen "Blödsinn" :FFTeufel: erst mal aussen vor lassen.
     
    cool gefällt das.
  16. #15 Schorsch, 12.10.2010
    Schorsch

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    Ehrlich gesagt ist mir gerade aufgefallen, dass ich falschrum gedacht habe. Ich hatte hohe Abrissgeschwindigkeit als besser verdrahtet. Natürlich Unsinn, weil man ja oberhalb und nicht unterhalb von VS1G lebt. Hab ich wohl mit innerlich mit High Speed Buffet verwechselt.

    Also: ich dementiere alles und behaupte fortan das Gegenteil.

    Allerdings: das CG-Zeugs stimmt. Keine Boeing außer der B747 hat das.
     
  17. ocean

    ocean Flugschüler

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    ok, ich verstehe leider noch nicht mal die Hälfte, von dem ganzen :-(

    Könnt Ihr mir erklären, warum der Steuerdruck höher ist, wenn der Schwerpunkt vor dem zulässigen Bereich ist und warum er kaum spürbar ist, wenn der Schwerpunkt hinter dem zulässigen Bereich liegt? Und warum hier die die Gefahr der unbeabsichtigten Überbelastung des Flugzeuges liegt? (zu Hohe g Belastung?


    Und bitte einfach erklären für Fluganfänger!!!!!!!!:?!
     
  18. cool

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    Also Aerodramatik war nie mein Steckenpferd, aber dennoch ein Versuch :D

    Herkömmliche Flugzeuge mit einem Leitwerk hinten werden mit einer Schwerpunktlage versehen, welche vor dem Auftriebsmittelpunkt liegt. Ohne weitere Maßnahmen würde das Flugzeug ja nun "vorne über" kippen und um das zu kompensieren sorgt das Höhenleitwerk für Abtrieb:
    Wiki Bild

    Das Flugzeug ist nun förmlich "eingespannt", vorne und hinten Kräfte die nach unten wirken, in der Mitte entsprechend nach oben. Ist die Summe der Kräfte identisch, heben diese sich auf und das Flugzeug fliegt in einer Ebene.
    Je weiter der Schwerpunkt vor dem Auftriebsmittelpunkt liegt, umso mehr Kraft muss das Höhenruder aufbringen um das auszugleichen und umso mehr ist das Flugzeug "eingespannt".
    In dem Fall redet man auch von einer aerodynamsichen Längsstabilität, das Flugzeug will nur ungern von dieser stabilen Lage abweichen und wenn es das doch tut, dann sorgt eben diese Auslegung dafür, dass es wieder in eine stabile Fluglage zurück kehrt.
    Je höher diese Stabilität, desto höher sind auch die nötigen Ruderkräfte um das Flugzeug aus dieser Fluglage zu bringen.

    Ändert man diese Kräfteverteilung in die andere Richtung wird das Flugzeug weniger stabil ("hibbelich") und die Steuerkräfte sinken. Dementsprechend soll man wohl eher dazu geneigt sein, Manöver zu fliegen, die das Flugzeug entsprechend belasten.

    Manche Airliner sind mit Trimmtanks ausgestattet um eine aktive Schwerpunktlagekontrolle durchzuführen, dabei wird bei Start und Landung ein Schwerpunkt gewählt, der ein stabiles Flugzeug zu Folge hat und so "einfacher" zu fliegen ist, im Reiseflug gerade andersrum, der Schwerpunkt wird weiter nach hinten verlagert -> weniger Abtrieb durch den Stabilizer -> weniger Widerstand am Tragflügel -> Sprit sparen.
     
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  20. #18 Intrepid, 12.10.2010
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    Nö, Du schreibst es ja schon: "unbeschleunigt" (langsamer werden zählt als negative Beschleunigung), es ändert seinen Zustand nicht. Wenn das Flugzeug einmal 100 Knoten hat, bleibt es bei 100 Knoten, wird weder langsamer noch schneller. Das ist mit "unbeschleunigt" gemeint.
     
  21. #19 happy-landings, 13.10.2010
    happy-landings

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    Hier (empfiehlt sich auf jeden Fall für alle Flugleistungsfreaks) sind einige Besipiele zu 737, 757 und 767 erläutert. Und hier steht nochmal was zur 737-700 und einer Anwendung des Alternate Forward CG.
     
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