Um welche Achse rollt ein Flugzeug bei Querruder?

[b-707]

Um die längsseitige Schwerlinie?
Oder um eine Art aerodynamischer Längsachse, die von den Flügeln abhängt (Hoch-, Mittel-, Tiefdecker; V-Stellung nach oben/unten, Pfeilung usw.)?

 

[gero]

Kurze Antwort: um die Längsachse.
Lange Antwort: das ist nicht ganz so einfach. Es dreht um die Achse, rechtwinklig zur Kraftdifferenz (der Querruder) die durch den (Masse)-Schwerpunkt geht. Dazu kommen dann noch allerlei aerodynamische Effekte…

gero

 

[Adjuster]

Und auch um die Hochachse, negatives Wendemoment.

 

[arneh]

Kurze Antwort: um die Längsachse.
Lange Antwort: das ist nicht ganz so einfach. Es dreht um die Achse, rechtwinklig zur Kraftdifferenz (der Querruder) die durch den (Masse)-Schwerpunkt geht. Dazu kommen dann noch allerlei aerodynamische Effekte…

In der Tat wenn man es genau betrachtet gar nicht so trivial wie es auf den ersten Blick aussieht. Auch spielt der Schwerpunkt vor allem beim Einleiten eine Rolle. Im dann stationären Zustand entscheiden eher die aerodynamischen Details wie projizierte Seitenfläche des Rumpfes/Leitwerke oberhalb und unterhalb der Tragfläche (was oft nah am Schwerpunkt liegt aber doch nicht zwingend identisch ist) evtl. Differenzierung der Klappenausschläge in Verbindung mit dem Tragflügelprofil und ggf. ein kleines Stück die V- Form der Tragfläche eine Rolle, wo genau der Rotationsmittelpunkt liegt.

 

[gero]

Lustigerweise fällt man bei solchen Überlegungen ganz gern auf Trugschlüsse herein. So etwas wie einen Pendeleffekt zum Stabilisieren (Tragflächen oben, Gewicht unten) beispielsweise gibt es bei einem frei beweglichen Objekt nicht, es hat ja keine "Lagerung", sondern kann sich frei drehen. Und in diesem Fall wird es sich genau um die Achse drehen, bei der das Masseträgheitsmoment am kleinsten ist. (Weil es um diese Achse einfach am leichtesten geht.) Und diese Drehachse geht nun mal durch den Messeschwerpunkt. Es gibt allerlei Physik-Experimente mit denen man das schön demonstrieren kann.
Warum ein Hochdecker (meistens) stabiler um die Längsachse ist, als ein Tiefdecker gleicher V-Stellung ist dann schon eine Erkläraufgabe für Fortgeschrittene.

Ob das der Frager aber wissen wollte?

gero

 

[Schorsch]

Also: um welche Achse bewegt sich ein Flugzeug beim Betätigen der Querruder.
Einfache Antwort: um die Längsachse.
Richtige Antwort des Flugmechanikers: früher oder später um alle.

 

[gero]

Also: um welche Achse bewegt sich ein Flugzeug beim Betätigen der Querruder.
Einfache Antwort: um die Längsachse.
Richtige Antwort des Flugmechanikers: früher oder später um alle.

Das sind die aerodynamischen Effekte, von denen ich schrieb…

gero

 

[PKingo]

Also: um welche Achse bewegt sich ein Flugzeug beim Betätigen der Querruder.
Einfache Antwort: um die Längsachse.
Richtige Antwort des Flugmechanikers: früher oder später um alle.

Das ist schön und treffend formuliert!

Ein Kunstflugzeug fliegt - vorausgesetzt man ist schnell genug - aus dem Horizontalflug kommend bei konstantem Querruderausschlag eine Rolle nach der anderen. Gleichzeitig neigt sich die Flugbahn langsam und abwechselnd um Quer- und Hochachse drehend der Vertikalen, um von da an wieder senkrecht Richtung Erdboden fliegend nur noch um die Längsachse zu rollen.

Grüße
PKingo

 

[b-707]

Lustigerweise fällt man bei solchen Überlegungen ganz gern auf Trugschlüsse herein. So etwas wie einen Pendeleffekt zum Stabilisieren (Tragflächen oben, Gewicht unten) beispielsweise gibt es bei einem frei beweglichen Objekt nicht, es hat ja keine "Lagerung", sondern kann sich frei drehen.

Ganz frei evtl. nicht, möglicherweise bewirken die Tragflügel so etwas wie einen Dämpfungs-Effekt. Irgendwo habe ich mal was von einer "Rolldämpfung" gelesen, Flugzeuge betreffend.
Wie auch immer, ich sehe, das Thema ist komplizierter als vermutet.

 

[bodo]

Ganz frei evtl. nicht, möglicherweise bewirken die Tragflügel so etwas wie einen Dämpfungs-Effekt. Irgendwo habe ich mal was von einer "Rolldämpfung" gelesen, Flugzeuge betreffend.
Wie auch immer, ich sehe, das Thema ist komplizierter als vermutet.

Das könnte das negative Wendemoment sein, was du meinst. Dieses entsteht, weil ein nach unten ausgeschlagenes Querruder mehr Widerstand erzeugt als ein nach oben ausgeschlagenes oder gar ein nicht ausgeschlagenes Querruder. Dieser Effekt ist bei einem Kunstflugzeug mit recht kurzen Flügeln relativ gering ausgeprägt, bei einem Segelflugzeug aufgrund des großen Hebelarms hingegen sehr deutlich. Um den entgegen zu wirken, leitet man eine sauber geflogene Kurve immer mit Seiten- und Querruder ein.

Es gibt übrigens auch ein positives Rollmoment, welches durch einen Seitenruderausschlag aufgrund des höheren Auftriebs des schnelleren, kurvenäußeren Flügels verursacht wird. Auch dieses wird durch den koordinierten Einsatz von Seiten- und Querruder kompensiert.

 

[gero]

Rolldämpfung und negatives Wendemoment sind unterschiedliche Dinge.
was aber zweifellos richtig ist, ist die Tatsache, dass es nicht trivial ist. In der Praxis gibt es die klare Trennung der Achsen nicht.Änderungen um eine Achse haben eigentlich immer auch Nebenwirkungen auf die anderen Achsen, die Geschwindigkeit oder die Bewegungsrichtung.
das ist die Arbeit oder das Vergnügen für den Kollegen am Knüppel, das zu steuern.

gero

 

[b-707]

Ein Kunstflugzeug fliegt - vorausgesetzt man ist schnell genug - aus dem Horizontalflug kommend bei konstantem Querruderausschlag eine Rolle nach der anderen. Gleichzeitig neigt sich die Flugbahn langsam und abwechselnd um Quer- und Hochachse drehend der Vertikalen, um von da an wieder senkrecht Richtung Erdboden fliegend nur noch um die Längsachse zu rollen.

Muss der Pilot, wenn er rollt und dabei horizontal fliegen will, mit Seiten- und Höhenruder korrigieren?

 

[gero]

Muss der Pilot, wenn er rollt und dabei horizontal fliegen will, mit Seiten- und Höhenruder korrigieren?

Das kommt auf das Flugzeug an, in der Regel ja.
Das Seitenruder wird bei den meisten Flugzeugen mehr oder weniger zum Einleiten einer koordinierten Kurve gebraucht. Wenn es nur eine Rolle werden soll, muß das durch aerodynamische Effekte entstehende Wendemoment mit dem Seitenruder ausgeglichen werden.
Durch die Schräglage geht ein Teil des Auftriebs in eine andere Richtung, das wird mit dem Höhenruder ausgeglichen.
Betonung liegt auf "koordiniert".

gero

 

[b-707]

Mit anderen Worten: ein wendiges Flugzeug braucht vermutlich einen Lenker mit einem sehr wendigen Hirn.

 

[Adjuster]

Mit anderen Worten: ein wendiges Flugzeug braucht vermutlich einen Lenker mit einem sehr wendigen Hirn.

Nein, dass geht mit zunehmenden Übung in Fleisch und Blut über und geht dann automatisch.

Ein Eishockeyspieler denkt ja auch nicht mehr übers Schlittschuhlaufen nach.

 

[Schorsch]

Mit anderen Worten: ein wendiges Flugzeug braucht vermutlich einen Lenker mit einem sehr wendigen Hirn.

Je schneller man ist, desto mehr kommt auch die Eigenstabilität um die Hochachse zu tragen (durch das Seitenleitwerk). Ein hinreichend großes Seitenleitwerk bügelt eigentlich alle lateralen Eigenbewegungen zuverlässig weg. Rollstabil sind die meisten Flugzeuge eh. Fliege ich langsam und auch noch mit hohem Anstellwinkel (was sich ja irgendwie bedingt), sind alle Steuereingaben gekoppelt und man muss viel in den Controls rühren.

 

[PKingo]

Vorweg:
Ich kann nur über eigene (intensive) Erfahrungen im Modellflug sprechen. Im Modellflug ist es nicht sooo aufwendig, unterschiedlichste Flugzeutypen zu fliegen, und für Experimente braucht man keine Genehmigung einer Behörde...

Na ja, Rolle (oder eine Drehung um die Längsachse) ist längst nicht gleich Rolle...

Im Kunstflug besteht die Kunst darin, eine (oder auch mehrere aufeinander folgende Rollen) schön gerade aus auf einer geraden Linie zu fliegen. Vertikal ist trivial, in der Horizontalen muss durch koordinierten Höhen- und Seitenrudereinsatz der gravitationsbedingte "Drang zur Erde" kompensiert werden. Dabei gibt es einen weiteren Aspekt zu beachten: In jeder Fluglage muss so viel Auftrieb erzeugt werden, dass das Flugzeug seien Höhe beibehält. Das gilt auch und besonders für die Messerfluggphasen: hier muss die Nase etwas hoch gehalten werden. Die Größe der Korrekturausschläge ist von der Drehrate und der Fluggeschwindigkeit abhängig. Je langsamer, desto mehr muss geknüppelt werden. Gut geflogen sieht man diese Korrekturen nicht (man braucht halt etwas Übung...).
Das Wendemoment spielt im Kunstflug keine Rolle; vermutlich sind die geflogenen Auftriebsbeiwerte zu klein. Kunstflugzeuge sind so ausgelegt, dass mit einem Ruderausschlag eine dem Ruderausschlag proportionale Drehrate um die zutreffende Achse ausgeführt wird, ohne dass Bewegungen um eine der anderen Achsen erzeugt werden(*). Das funktioniert über weite Geschwindigkeitbereiche erstaunlich gut.

Fast alle anderen Flugzeuge entwickeln je nach Typ und Betriebszustand unterschiedlichste Verhalten bei Betätigung von Quer- und / oder Seitenruder... Das führt sogar so weit, dass mit Modellen ohne Querruder (also nur Seiten- und Höhenruder) erstaunlich schnelle Rollen gefogen werden können. Die Zusammenhänge sind komplex und wurden von gero und Schorsch schon angedeutet.

(*) Meines Wissens hat man auch beim A380 via Fly by wire eine ähnliche Steuercharakteristik programmiert: über die controls werden Drehraten gesteuert, alle unerwünschten Koppelbewegungen werden vom Computer unterdrückt.

LG
PKingo

 

[A.G.I.L]

Und um das vom Vorschreiber (sehr gut erklärte) noch zu toppen, fliegen wir jetzt mal einen Rollenkreis! Viel Spass beim knüppeln...

 

[PKingo]

Es geht noch lustiger: eine 3/4 Rolle in den Messerflug, unmittelbar gefolgt von einem Messerflug-Looping mit einer ganzen integrierten Rolle, unmittelbar gefolgt von einer 3/4 Rolle mit Ausflug in Rückenlage.

 

[Schorsch]

(*) Meines Wissens hat man auch beim A380 via Fly by wire eine ähnliche Steuercharakteristik programmiert: über die controls werden Drehraten gesteuert, alle unerwünschten Koppelbewegungen werden vom Computer unterdrückt.

Eigentlich sind inzwischen alle Flugzeuge weitgehend "Control Configured". Sprich, die Steuereingabe kann verschiedene Ausschläge von Steuerflächen nach sich ziehen. Bei einem zivilen Flugzeug aber meist langweilig, weil kleine Anstellwinkel. Weiterhin muss das alles auch halbwegs funktionieren wenn alle Systeme die Biege machen. Dann ist etwas natürliche Stabilität und achs-getrennte Steuerflächen natürlich besser.