Eine Einführung in die Aerodynamik und die Grundprinzipien, die ein Flugzeug zum Fliegen bringen.
Leitfaden für grundlegende Aerodynamik
Über dieses Handbuch
Nicht für den Einsatz im realen Flugtraining. Nur für den Simulatorgebrauch.
Die vier Kräfte des Fliegens
Auf ein Flugzeug wirken vier Grundkräfte. Heben, beschweren, stoßen und ziehen.
Schub ist die Kraft, die ein Flugzeug vorwärts treibt, und wird vom Triebwerk (Motor) und Propeller erzeugt. Es widersetzt sich Drag.
Luftwiderstand ist die Kraft, die das Flugzeug verzögert und dem Schub entgegenwirkt. Dies wird durch die Unterbrechung des Luftstroms um das Flugzeug herum verursacht.
Der Auftrieb ist die Kraft, die bewirkt, dass das Flugzeug an Höhe gewinnt. Es wird durch die Wirkung von Luft verursacht, die auf ein Tragflügelprofil (Flügel und Propellerblätter) einwirkt und ein Flugzeug effektiv nach oben drückt. Es wirkt Gewicht entgegen.
Gewicht ist die Zuladung des Flugzeugs selbst, seiner Besatzung, des Treibstoffs und des Gepäcks. Es wirkt dem Auftrieb entgegen und zieht ein Flugzeug effektiv nach unten in Richtung des Erdmittelpunkts.
PHAK 5-1
Mehr zu Streitkräften
Wenn alle Kräfte im Gleichgewicht sind, befindet sich das Flugzeug in einem geraden, unbeschleunigten Flug.
Auf der vertikalen Achse:
- Wenn der Schub größer als der Luftwiderstand ist:Das Flugzeug beschleunigt.
- Wenn der Luftwiderstand größer als der Schub ist:Das Flugzeug wird langsamer.
Auf der Längsachse:
- Wenn der Auftrieb größer als das Gewicht ist:Das Flugzeug steigt.
- Wenn das Gewicht größer ist als der Auftrieb:Das Flugzeug sinkt.
Es ist wichtig zu beachten, dass es viel mehr Diskussionsbedarf über Kräfte gibt, da sich diese ändern, je nachdem, wann Sie sich in einem Anstieg, Abstieg oder einer Kurve befinden. Der Einfachheit halber sind diese Informationen jedoch nicht in dieser Anleitung enthalten. Weitere Informationen finden Sie im Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge, Kapitel 5.
Was ist ein Airfoil?
Die Tragflächen, auf die am häufigsten Bezug genommen wird, sind der Flügel und das Propellerblatt. Ein Tragflügel ist eine Struktur, die dazu bestimmt ist, eine Kraft auf einer ihrer Oberflächen aus der Luft zu erzeugen, durch die sie sich bewegt. Grundsätzlich ist ein Tragflügel jede Struktur an einem Flugzeug, die Auftrieb erzeugt. Solche Oberflächen sind die Flügel- und Propellerblätter.
Es ist wichtig zu wissen, dass es viele zeitgenössische Theorien gibt, die versuchen, die Erzeugung von Auftrieb zu erklären, und es keinen genauen Konsens über eine solide Erklärung gibt. Wo eine Mischung von Theorien versuchen kann, den Auftrieb zu erklären, kann es bei einem Postulat scheitern, und wo andere mit diesem Postulat Erfolg haben, kann es bei einem anderen scheitern.
Flügel
Die Flügel erzeugen vertikalen Auftrieb. Wenn sich Luft durch die Ober- und Unterseite des Flügels bewegt und das Flugzeug schnell genug fliegt, werden durch Erhöhen des Anstellwinkels des Flugzeugs (und anschließend des AOA des Flügels) durch Anheben der Nase mehrere wichtige Prinzipien in die Theorie von eingeführt die Produktion von Auftrieb.
Propellerblätter
Propeller haben die gleiche Form wie die Flügel, außer dass sie auch leicht verdreht sind. Die Rotorblätter erzeugen Auftrieb als Schub und bewegen somit das Flugzeug vorwärts.
Schub vs. Kraft
Obwohl beide Begriffe synonym verwendet werden, sind sie nicht identisch.
Kolbenmotoren erzeugen Leistung, die dann in Schub umgewandelt wird, wenn die Propellerblätter durch die Luft schneiden. Das Hinzufügen von Leistung erzeugt Schub.
Anstellwinkel und Auftriebskoeffizient
Die Sehnenlinie des Profils ist kurz gesagt die Linie, die ein Profil teilt, das sich von der Vorderkante (wo der entgegenkommende relative Wind in einen oberen und einen unteren Luftstrom getrennt wird) bis zur Hinterkante (wo sich die zuvor getrennten Luftströme wieder treffen) erstreckt. .
Der Winkel zwischen der Sehnenlinie des Tragflügels und dem entgegenkommenden relativen Wind ist als Anstellwinkel bekannt.
Ein positiver AOA führt zu einem Steigflug.
Ein negativer AOA führt zu einem Sinkflug (beachten Sie, dass einige Flügel so gewölbt sind, dass bei sehr kleinen negativen AOA etwas Auftrieb erzeugt wird).
Auftriebskoeffizient
Um den Anstellwinkel (AOA) zu erhöhen, können Sie Leistung hinzufügen oder die Nase nach oben stellen. Eine Erhöhung des AOA führt zu einer Erhöhung einer Zahl, die als Auftriebskoeffizient bekannt ist. Je größer der AOA, desto größer der Höhengewinn. Ein größerer AOA geht jedoch zu Lasten der Geschwindigkeit (und damit der Leistung).
Der Auftriebskoeffizient ist wichtig, da er bestimmt, wie viel Auftrieb erzeugt wird. Dies ist auch eine wichtige Zahl bei der Bestimmung des kritischen AOA.
Bernoulli-Prinzip und Newtons drittes Gesetz
Drittes Newtonsches Gesetz
Für jede Kraft gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Dies bedeutet, dass, wenn das Flugzeug nach oben geneigt wird und die AOA des Flügels erhöht wird, die Unterseite des Tragflügels Luft nach unten ablenkt. Folglich erzeugt dies eine Kraft in die entgegengesetzte Richtung (nach oben), was zu einem Aufstieg führt.
Michael Paetzold – Querschnitt eines Flügelprofils, das Newtons drittes Gesetz darstellt
Bernoulli-Prinzip
Für jedes Tragflächenprofil, das Auftrieb erzeugt, muss ein Druckungleichgewicht vorhanden sein.
Das Bernoulli-Prinzip besagt, dass bei jeder Geschwindigkeitszunahme einer Flüssigkeit (denken Sie daran, dass Luft eine Flüssigkeit ist) eine begleitende Druckabnahme erfolgt. Das Gegenteil ist wahr. Bei einer niedrigeren Geschwindigkeit entsteht ein höherer Druck.
Die Form des Flügels, der oben etwas stärker gekrümmt ist als unten (Flügelwölbung), erfordert, dass die Luft auf der Oberseite des Flügels weiter strömt, um die Hinterkante des Flügels zu erreichen. Weil es weiter reisen muss, muss es schneller reisen. Somit wird nach dem Bernoulli-Prinzip der Luftdruck auf der Oberseite des Flügels verringert. Da die Luft auf der Unterseite weniger zurückgelegt werden muss, hat sie folglich mehr Zeit, um im Vergleich zur Oberseite eine kürzere Strecke zurückzulegen, was zu einem höheren Luftdruck auf der Unterseite des Flügels führt.
Die grundlegende Fluiddynamik besagt, dass sich jedes in eine Flüssigkeit eingetauchte Objekt in Richtung des Bereichs mit geringerem Druck des Druckgradienten und von dem Bereich mit höherem Druck wegbewegt. Da die Luft auf der Unterseite des Flügels einen höheren Druck hat und die Luft auf der Oberseite des Flügels einen geringeren Druck hat, bewegt sich das Flugzeug nach oben und somit wird Auftrieb erzeugt.
Es ist auch wichtig zu beachten, dass die gekrümmte Natur des Flügels eine Strömungsdrehung verursacht, bei der der Auftrieb durch Drehen einer sich bewegenden Flüssigkeit erzeugt wird.
University of Alaska Fairbanks
Linksdrehungstendenzen
Sie werden beim Start feststellen, dass sich das Flugzeug nach links bewegen möchte, ohne irgendwelche Eingaben zu machen, außer um Leistung hinzuzufügen. Aufgrund der Art und Weise, wie sich der Propeller dreht, wirken mehrere Faktoren zusammen, die, wenn sie nicht durch den entsprechenden Einsatz von Seitenruder und Querruder korrigiert werden, dazu führen, dass das Flugzeug nach links giert.
Drehmomentwirkung
Inzwischen sollten wir mit Newtons drittem Gesetz vertraut sein. Wenn sich der Propeller im Uhrzeigersinn dreht, wird aufgrund des dritten Newtonschen Gesetzes eine nach unten gerichtete Kraft auf das linke Zahnrad ausgeübt, wodurch das linke Zahnrad mehr Reibung hat als das rechte. Als Ergebnis wird das Flugzeug nach links abbiegen wollen. In der Luft führt dies zu einer Rollbewegung nach links.
PHAK 5-47
P-Faktor (asymmetrische Propellerbelastung)
Dieser Effekt tritt auf, weil die sich nach unten bewegende Klinge (die auf der rechten Seite) durch einen größeren Luftabschnitt schneidet als die sich nach oben bewegende Klinge (die auf der linken Seite). Dies geschieht aufgrund der Winkelung der Klingen. Dabei ist zu beachten, dass die Lamellen nicht ausschließlich auf der vertikalen Ebene liegen, sondern um 90 Grad leicht schräg versetzt sind.
Der P-Faktor ist immer dann am effektivsten, wenn sich das Flugzeug in einem hohen Anstellwinkel befindet, z. B. beim Start und im langsamen Flug.
PHAK 5-51
Kreiselpräzession
Im Wesentlichen ist ein Propeller im Grunde eine sich drehende Scheibe. Dadurch erhält es die Eigenschaften eines Kreisels. Eine dieser Eigenschaften ist die gyroskopische Präzession. Das bedeutet, dass immer wenn eine Kraft auf ein Gyroskop, in diesem Fall unseren Propeller, ausgeübt wird, diese Kraft 90 Grad voraus in Drehrichtung der Scheibe zu spüren ist. Also 90 Grad nach rechts.
PHAK 5-49
Spiralen Slipstream
Dies ist die endgültige Linksdrehungstendenz. Wenn sich der Propeller dreht, wird ein Luftstrom erzeugt, der sich um das Flugzeug wickelt. Dieser Strom trifft auf die linke Seite des Schwanzes und verursacht eine Gierbewegung nach links.
PHAK 5-48
Stalls und kritischer AOA
Ein Strömungsabriss tritt auf, wenn Luft beginnt, weniger glatt über die obere Oberfläche des Strömungsprofils zu strömen, und der Luftstrom beginnt, sich von dem Flügel zu trennen. Wenn dies geschieht, kann das Profil nicht mehr genügend Auftrieb erzeugen und wird als abgewürgt bezeichnet.
Ein drohender Strömungsabriss ist durch Buffeting des Flugzeugs zu spüren, wenn sich der Luftstrom zuerst von der Rückseite des Flügels trennt. Sie werden auch feststellen, dass einer der Flügel vor dem anderen stehen bleiben kann. Es ist wichtig zu beachten, dass die meisten Flugzeuge so konstruiert sind, dass sie von der Innenseite der Tragfläche nach außen ziehen, um den Alierons die größtmögliche Autorität für das Wiederherstellungsverfahren zu geben.
CL-MAX
Der kritische Anstellwinkel ist der AOA, bei dem das Flugzeug stehen bleibt, und ist für einen bestimmten Flugzeugtyp immer gleich. Typischerweise liegt diese Zahl bei etwa 15 Grad AOA. Dies ist auch das Maximum des Auftriebsbeiwerts, wonach der Auftriebsbeiwert abzunehmen beginnt.
Die meisten, wenn nicht alle Flugzeuge sind mit Stall-Warnhörnern ausgestattet, um den Piloten zu warnen, wenn sie sich in einem Stall befinden oder dabei sind, einen zu betreten.
NASA
Erholung von einem Stillstand
Wenn ein Strömungsabriss auftritt, reduzieren Sie sofort die AOA, rollen Sie die Flügel gerade und fügen Sie volle Leistung hinzu. Sobald die Fluggeschwindigkeit zurückkehrt, nivellieren Sie die Nase und steuern Sie Leistung und Neigung entsprechend.