Warum sind Seitenruder so hoch und damit unaerodynamisch?

Diskutiere Warum sind Seitenruder so hoch und damit unaerodynamisch? im Luftfahrzeugtechnik u. Ausrüstung Forum im Bereich Grundlagen, Navigation u. Technik; Hallo, Angesichts des mit der Geschwindigkeit quadratisch steigenden Luftwiderstandes würde es doch mehr Sinn machen an der Ober- (und vllt sogar...

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  1. #1 Hans der hansige, 05.06.2019
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    Hallo,

    Angesichts des mit der Geschwindigkeit quadratisch steigenden Luftwiderstandes würde es doch mehr Sinn machen an der Ober- (und vllt sogar Unter-)Seite des Rumpfes eine lange aber sehr flache und segmentierte Finne anzubringen, deren Segmente bei einer Kurve umso stärker seitlich schwingen, je weiter hinten sie liegen. Dadurch könnte die gegen den Wind stehende Frontfläche im normalen Geradeausflug deutlich kleiner ausfallen, wodurch ~5% Kerosin gespart werden würde. Zur Sicherheit, falls es die Fluglage erfordert, böte sich für ganz hinten ein ausfahrbares großes Seitenruder an, das aber im Normalbetrieb eingrfahren bleibt und damit keinen Luftwiderstand erzeugt.

    Warum wird so etwas nicht gebaut? Oder gibt es die Lösung bereits. Als Laie scheint mir das eine gute Möglichkeit zu sein, den Flugverkehr effizienter zu machen.

    Danke im Voraus für die Antworten, Gruß!
     
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  3. #2 Gilmore, 05.06.2019
    Gilmore

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    Seitenruder sollen natürlich auch bei geringeren Fluggeschwindigkeiten stabilisieren, nicht nur im Reiseflug. Und was Dir vorschwebt, macht uns die Natur in Form des Fischschwanzes vor. Aber wie soll man sowas konstruieren und bauen? Der Fertigungs- und Wartungsaufwand würde die Kraftsoffersparnis vermutlich auffressen, und dazu kommt noch das zusätzliche Gewicht. Die vielen Ruderspalten würden auch wieder den Widerstand erhöhen. Oder man müsste ein Material entwickeln mit einer Flexibilität wie z. B. mit einer silikonartigen Masse, die aber jahrzehntelang Temperaturen von + 70 bis -60 Grad, unter allen denkbaren Druckverhältnissen ohne Einbußen in der Elastizität bieten muss, die jedoch gleichzeitig jederzeit absolut kontrollierbar verformen lässt. Dann entfiele zwar der widerstandliefernde Spalt zwischen Finne und Ruder, das ist es dann aber auch schon. Also (noch) Science Fiction, denke ich. Und wer würde sich in so einen Flieger setzen?
     
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  4. #3 Hans der hansige, 05.06.2019
    Hans der hansige

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    Na, dann eben vielleicht welche zum ein und ausfahren, da reicht dann ein längliches Seitenruder hinten. Da das am Boden nicht erkennbar ist, weil dann wohl ausgefahren würde es auch niemand bemerken. Teurer oder komplexer als das ebenso ein und ausfahrbare Fahrwerk wäre das wohl nicht. Also so langr das gut getrstet wird vorher und die Piloten und Techniker eingewiesen werden in die Mechanik sehe ich hier kein Problem hinsichtlich der Risiken, sei es gefühlt oder echt.

    Insgesamt aber es würde gehen, oder?
     
  5. #4 Block 5OM, 05.06.2019
    Zuletzt bearbeitet: 05.06.2019
    Block 5OM

    Block 5OM Testpilot

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    Hast Du schon mal ein Flugzeug von Innen gesehen?
    Stell Dir doch mal biite mal vor, welche Mechanik/Hydraulik/Elektrik notwendig wäre für
    a) das Ein/Ausfahren und
    b) für das Betätigen des Ruders bzw. Flosse
    in einem relativ schmalen Rumpfheck?
    Wo würdest Du das alles platzieren können?
     
  6. pok

    pok Space Cadet

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    Wuerde die absolute und totale Optimierung des Kraftstoffverbrauches so wichtig sein ( ist es nicht ), dann koennte man so etwas wohl machen wobei das erhoehte Gewicht und das Ausfallrisiko dem klar entgegenstehen.
    Man kann auch einen Nurfluegler wie die B2 bauen, die keine Seitenruder hat, konventionelle Flugzeuge baut man aber heutzutage so, das sie Aerodynamisch immer stabil und damit sicher im Betrieb sind, eine Seitenruder erst mal ausfahren um es dann in betrieb zu nehmen kostet auch ohne ein Ausfall einge Sekunden Zeit, was ein Risiko darstellt, so als ob Dein Lenkrad auf der Autobahn eingezogen wird, da du es dort solange es geradeaus geht ja nicht brauchst :-)
     
  7. mg218

    mg218 Testpilot

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    Woher hast Du die 5% ?
     
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  8. cool

    cool Space Cadet

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    Ja die 5% halte ich auch für eine recht steile These :)

    Also technisch "kompliziert" ist so ein Fahrwerk eigentlich nicht, zumal es auch immer über Schwerkraft rausfallen kann und selbstständig verriegelt. Bei so einem ausfahrbaren Ruder müsste man schauen, wie sich sowas darstellen lässt. Da gehts dann um Redundanz, wie ist mit so einem Ruder zu arbeiten, wenn andere Steuerflächen, ect. ausfallen, usw usw.

    Prinzipiell halte ich den Gedanken nicht für völlig abwegig. Folding Wings sind bei Militärfliegern gang und gäbe, in der B777 war das mal vorgesehen, wollte aber keiner kaufen. Die B777X kommt wohl nur mit Wing Folding. Aber da muss man natürlich auch sagen, dass die nur am Boden fahren. Einmal verriegelt, dann gehts los, vorher nicht.

    Zum Thema Sprit sparen: Der Luftwiderstand setzt sich aus mehreren Elementen zusammen, da ist der Stirnflächenwiderstand ja nur eine Komponente. Die benetzte Fläche zb. eine andere. Bei tiefen aber kurzen Ruderflächen muss man schauen, wie hoch die tatsächliche Ruderwirkung wird, Thema induzierter Widerstand.
    Mehrteilige Ruder sind ja schon seit Jahrzehnten im Einsatz, siehe MD11 oder B777 und davor gibts bestimmt auch schon einige.
    Gewichtstechnisch wird wohl etwas dazu kommen.

    Und dann ist die Frage, was macht man, wenn das Ruder drinnen bleibt. Man darf nicht vergessen, dass das Seitenruder vor allem in Bodennähe genutzt werden. Bleibt es drinnen, dann bräuchte man eine Anfluggeschwindigkeit die hoch genug ist die nötigen Steuerkräfte aufzubringen, auch im Falle eine Durchstartens bei gleichzeitigem Triebwerksverlustes. Man würde dann wahrscheinlich recht schnell sein müssen, damit braucht man mehr Landebahn und vor allem machen die Reifen auch "nur" 235mph mit. Also Thema Wheelspeed und Brake Energy Limit wären die Themen hier.
    Es sind halt auch viel Themen aus dem Gebiet der Operation mit drinnen.
    Das mit dem Engine Out beim Durchstarten ist übrigends nicht konstruiert. Genauso wie die Flugzeuge meist auch schon vor der Abhebegeschwindigkeit genug Auftrieb produzieren würden, aber es geht dabei um die Minimum Control Speed bei der das Flugzeug über die Steuerflächen voll steuerbar bleiben muss und da gehts dann meist um das Engine Out Szenario nach V1. Das Seitenruder muss dann genug kraft aufbringen, dass Flugzeug bei dem assymetrischem Schub auf Richtung zu halten (also annähernd).
     
  9. #8 Jubernd, 07.06.2019
    Jubernd

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    Schau dir mal die erste Ausführung der F13 an. Ein sehr flaches dreieckiges Seitenruder mit relativ kleiner Flosse. Die späteren Ausführungen wählten dann aber die moderne Form.
     
  10. #9 phantomas2f4, 07.06.2019
    phantomas2f4

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    Sollte die Rockwell X 31 nicht einmal ganz ohne Seitenruder fliegen ( oder ist sie vielleicht sogar ? )
    Klaus
     
  11. #10 fanavion, 07.06.2019
    Zuletzt bearbeitet: 07.06.2019
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    @Hans der hansige

    Du fragst im Titel: Warum sind Seitenruder so hoch und damit unaerodynamisch?

    Spontane Antwort: Weil die Seitenleitwerke so hoch sind an deren Hinterkante üblicherweise die Seitenruder integriert sind.

    Du kannst natürlich jetzt weiter Fragen "Warum sind Seitenleitwerke so hoch und damit unaerodynamisch?"

    Doch von einem Seitenleitwerk sprichst Du in Deinen Ausführungen leider nicht. Soll Deine lange aber sehr flache und segmentierte Finne ... , deren Segmente bei einer Kurve umso stärker seitlich schwingen, je weiter hinten sie liegen auch als Seitenleitwerk wirken? Bei einer langen Finne verlierst Du jedoch je weiter sie vorgezogen ist an Hebelarm gegenüber dem Schwerpunkt und Du must die Gesamtfläche gegenüber einem herkömmlichen "hohen", weit hinten liegendem Leitwerk erhöhen, was und letztlich dann doch wieder höher ausfällt als Du Dir eigentlich vorstellst. Eine mordsgroße Finne und vermutlich auch schwerer als ein kleineres, hinten liegendes Leitwerk. Gilt für die Ruder selbst auch.

    Und: Der induzierte Widerstand, den cool oben aufführt würde bei einer langen niedrigen Finne höher sein als bei einem schlanken hohen Leitwerk.

    In zwei weiteren Beiträgen wird übrigens auch nicht klar unterschieden zwischen Seitenleitwerk und Seitenruder.

    Nein, tun sie nicht. Das Seitenruder wird vom Piloten betätigt, es ist zum steuern da, das Seitenleitwerk "stabilisiert" ein Flugzeug ohne Zutun des Piloten. Es sei denn es ist ein drehbares Seitenleitwerk, dann tut es beides. Ob es solche gibt weiß ich nicht, ich kenne nur bewegliche Höhenleitwerke.

    EDIT: Wobei man natürlich im allgemeinen Sprachgebrauch durchaus die Kombination von festem Leitwerk und Ruder auch Seitenleitwerk nennen kann.

    @Gilmore Wobei ich allerdings Deinen Hinweis Die vielen Ruderspalten würden auch wieder den Widerstand erhöhen sehr gut finde.

    Die B-2 hat nicht nur keine Seitenruder sondern auch keine Seitenleitwerke. Auch hier die Verbindung von "stabil" mit dem Seitenruder, es sollte Seitenleitwerk heißen.
     
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  12. #11 fanavion, 07.06.2019
    Zuletzt bearbeitet: 08.06.2019
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    Ist das die Version, die Du meinst? Hier ist das Seitenruder nicht dreieckig.

    https://cdn.jetphotos.com/full/4/61205_1392114821.jpg

    Auch hier ist das Ruder nicht dreieckig

    https://www.hamspirit.de/wp-content/uploads/2018/12/Junkers¬-F-13-Hungary.jpg

    EDIT: Nur noch Links. Die Bilder waren für meinen Geschmack im Textfluß zu groß.
     
  13. gero

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    Die gedankliche Trennung von Leitwerk und Ruder ist wichtig. Neben der Steuerwirkung um die Hochachse (und allerlei indirekten Auswirkungen auf die anderen Achsen) hat das Seitenleitwerk auch noch wichtige Aufgaben für die (Richtung-) Stabilität und die Dämpfung von Bewegungen um die Hochachse. Und da ist die Geometrie (Streckung, wie ein Tragflügel) und auch der Abstand vom Rumpf (Unmittelbar am Rumpf ist die Luft langsamer (Reibung, Grenzschicht)) entscheidend. Die Wirkung einer schmalen Finne ist im vergleich zu einem flächengleichen hohen Leitwerk geringer.

    Ein schönes Beispiel dafür: Mein Flieger. Der Skyranger Swift bekam im Zuge seiner Entwicklung aus Gründen der Richtungsstabilität eine Rumpffinne. Die heutigen Modelle (Swift II) haben diese nicht mehr, sondern ein durch einen Kunststoffaufsatz nach oben verlängertes Seitenleitwerk. Leichter und wirksamer. Das Seitenruder blieb unverändert.

    gero

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  14. #13 fanavion, 08.06.2019
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    Nochmalige Bearbeitung meiner obigen Ausführungen. Der Übersicht halber in Form eines als eigenen Beitrags.

    Ich hatte geschrieben

    EDIT: Wobei man natürlich im allgemeinen Sprachgebrauch durchaus die Kombination von festem Leitwerk und Ruder auch Seitenleitwerk nennen kann.

    Nicht nur "kann" und im "allgemeinen Spachgebrauch". Seitenleitwerk heißt die Kombination von fester Seitenflosse und beweglichem Seitenruder. Auch die Fläche des Seitenruders trägt natürlich zur Richtungs-Stabilisierung des Flugzeugs auch ohne Zutun des Piloten bei. Wieviel und ob es überhaupt ausschlägt kann ich jetzt nicht so schnell erklären. Ein Fachmann kann es hier sicher aus dem Ärmel schütteln.

    Auch nach obiger Korrektur bleiben meine folgenden Aussagen nach wie vor richtig.

    Spontane Antwort [auf die Frage Warum sind Seitenruder so hoch und damit unaerodynamisch?]: Weil die Seitenleitwerke so hoch sind an deren Hinterkante üblicherweise die Seitenruder integriert sind.
    Du kannst natürlich jetzt weiter Fragen "Warum sind Seitenleitwerke so hoch und damit unaerodynamisch?"


    -------

    Nein, tun sie nicht. Das Seitenruder wird vom Piloten betätigt, es ist zum steuern da, das Seitenleitwerk "stabilisiert" ein Flugzeug ohne Zutun des Piloten.

    -------

    Die B-2 hat nicht nur keine Seitenruder sondern auch keine Seitenleitwerke. Auch hier die Verbindung von "stabil" mit dem Seitenruder, es sollte Seitenleitwerk heißen.
     
  15. #14 Gilmore, 08.06.2019
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    Sorry, in meinem Beitrag meinte ich natürlich das komplette Seitenleitwerk mit Flosse und Ruder.
     
  16. #15 Klugscheisser, 08.06.2019
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    Interessanterweise findet man in der Literatur oft Berichte, die sich mit einer im Versuchsstadium durch Vergrösserung des Seitenleitwerks kurierte Längsschwingung befassen. Mir fällt gerade die F-100 ein, es wird sicher auch solche Situationen im digitalen Konstruktionszeitalter geben.

    Soviel zur Beantwortung der Themen-Frage aus der empirischen Realität.

    Schön finde ich den Hinweis auf die B-2: mit einem Nurflügler wären wohl die geringsten aerodynamischen Verluste (und somit die Chance zur Reduzierung des wesentlichsten Kostenfaktors der zivilen Luftfahrt) erreichbar.

    Die Leningrader Uni hatte ja schon ambitionierte Projekte zur Verringerung der Widerstände am Tragflügel.

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    Das flog 1937.

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    Das wurde 1938 konstruiert, flog aber wohl auch nach Bau bis 1940 nicht [Quelle The Osprey Encyclopedia of Russian Aircraft, Bill Gunston].

    Das war wohl alles für die Zeit zu aufwändig im Vergleich zum möglichen Vorteil.

    Auch andere Vorstösse, obwohl eher in Richtung Flugsicherheit gedacht, wurden trotz erheblicher Vorteile nicht zum Erfolg, da - wenn auch nur geringfügig - in der Beschaffung teurer und im Sytem zum Standard schwerer, wie z.B. die Focke Wulf Fw 19 Ente Ende der 20iger Jahre. Da war Sprit eben noch relativ billig. Aber die Akzeptanz der Kunden oder was die Beschaffer dafür halten hat eben immer das letzte Wort. Da halfen auch die besten Rezensionen in Flight und der französischen Presse nicht.

    Fazit: da wäre noch eine deutliche Marge drin, wenn wir es denn wollten!
     
  17. #16 Jubernd, 08.06.2019
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    Entschuldige bitte, natürlich war es eine Verwechselung von Ruder und Flosse.
     
  18. #17 fanavion, 08.06.2019
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    Die X-31, Erstflug 1990, wurde entwickelt um die Erhöhung der Manövrierfähigkeit von Kampfflugzeugen mit Hilfe von Schubvektorsteuerung zu erproben.

    1994 wurden auch Versuche durchgeführt ein Flugzeug ohne bzw. mit verkleinertem Seitenleitwerk (bitte nicht schon wieder Seitenruder) zu simulieren. Das ursprüngliche Seitenleitwerk blieb dabei erhalten. Mit Hilfe von Seitenrudereingaben wurde der stabilisierde Effekt des Seitenleitwerks eliminiert und der Flugsteuerungsrechner stabiliserte das Flugzeug mit Gier-Eigaben der Schubvektorsteuerung im Heck.

    Siehe:
    NASA Technical Paper 3624
    1996
    The X-31A Quasi-Tailless Flight Test Results
    John T. Bosworth and P. C. Stoliker
    Dryden Flight Research Center Edwards, California

    Weitere Informationen über das X-31 Programm in

    Jay Miller: The X-planes X-1 to X-45 Hinckley: Midland Publishing, 2001

    NASA Armstrong Fact Sheet: X-31 Enhanced Fighter Maneuverability Demon

    X-31 Enhanced Fighter Maneuverability

    Rockwell-MBB X-31 Vector

    Deutsches Museum: X-31
     
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  19. gero

    gero Alien

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    So richtig scheint sich Hans der fragige für unsere Antworten nicht zu interessieren...

    Schade.

    gero
     
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  21. pok

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    Wenn dem denn so waere, aber der Treibstoffverbrauch ist eben nicht der wesentlichste Kostenfaktor in der Luftfahrt. Wenn man nur den Treibstoffverbrauch optimieren wollte oder muesste, dann wuerden Flugzeuge anders aussehen, das stimmt wohl.
     
  22. #20 A.G.I.L, 09.06.2019
    Zuletzt bearbeitet: 09.06.2019
    A.G.I.L

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    Da fallen mir spontan zwei Beispiele ein: Ra-5 C Vigilante und SR-71 haben am Stück bewegliche Seitenleitwerke, quasi Pendelseitenruder analog zum Pendelhöhenruder.
    Bei herkömmlichen zweiteiligen Höhen- und Seitenleitwerken heisst der feststehende Teil meines Wissens Dämpfungsfläche (weil sie die Schwingung des Flugzeugs um Hoch- und Querachse dämpft) und der bewegliche Ruder. Flosse hört sich mea so ein bisschen laienhaft an...
     
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