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Stabilität und Balance
Warum gibt es das Höhenleitwerk?
• Ausgabe Aviator 03/2009
•
In der Geschichte der
Menschheit gab es schon sehr früh viele Entwürfe für Flugmaschinen. Jedoch
wurden erst im ausklingenden 19. Jahrhundert die ersten funktionsfähigen
Flugzeuge konstruiert.
Wahrscheinlich ist der Hauptgrund dafür, dass man lange Zeit das Konzept des
Höhenleitwerks nicht (er)kannte.
Vierflügliger Urvogel - Warum flog er überhaupt ?
Der klassische Aufbau eines
Flugzeugs zeigt sich als eine bestimmte Abfolge von Flügeln. Dabei sind die
meisten Muster so konzipiert, dass zuerst eine große Tragfläche existiert,
gefolgt von einer kleineren, dem so genannten Höhenleitwerk. Letztere
Bezeichnung ist jedoch nicht besonders gut gewählt. Das Höhenleitwerk hat
weniger etwas mit der Höhensteuerung als viel mehr mit der aerodynamischen
Stabilität zu tun, also der Eigenstabilität eines Flugzeugs.
Vorfahren
Schon zu Beginn der
Entwicklung des Fliegens hat die Natur das Höhenleitwerk ausprobiert. Ein später
Verwandter des Archeopterix (Microraptor gui) hatte tatsächlich nicht nur zu
Flügeln umgeformte Vordergliedmaßen, sondern verfügte auch an den Hinterläufen
über kleine Flügel. Durchsetzen konnte sich das Konzept in der Natur nicht,
zumal noch nicht ganz geklärt ist, ob die Fiederung an den Hinterläufen
tatsächlich zur Stabilisierung, zum zusätzlichen Auftrieb oder zu beiden Zwecken
eingesetzt wurde. Heutige Vögel haben lediglich eine mehr oder weniger
ausgeprägte Schwanzfiederung und damit, im Vergleicht zu den heute üblichen
Flugzeugkonstruktionen, ein sehr rudimentäres Höhenleitwerk.
Flugsaurier und auch die
Insekten verzichteten sogar meist völlig darauf. Daher ist die Frage berechtigt,
warum Flugzeugkonstruktionen offensichtlich auf ein Höhenleitwerk angewiesen zu
sein scheinen, wo doch die Natur nahezu ohne ein solches auszukommen vermag.
Grundlegende Funktion
Betrachten wir zunächst den
Grund für den Einsatz eines Höhenleitwerks. Eine Tragfläche mit einem klassisch
gewölbten Profil hat eine besonders unangenehme Eigenschaft:
Die mittlere Auftriebskraft
wandert mit steigendem Anstellwinkel immer weiter nach vorne. Da diese
Auftriebskraft vor dem Schwerpunkt liegt, kommt es zu einem Drehmoment, das
versucht den Anstellwinkel noch weiter zu erhöhen. Das wiederum verschiebt die
Auftriebskraft zusätzlich nach vorne.
Mit zunehmendem Anstellwinkel wandert der Auftrieb nach vorne
Vielleicht hat der ein oder
andere schon beobachten können, dass eine Tragfläche, die sich während des Flugs
vom Modell gelöst hat, um ihre Querachse zu rotieren beginnt, während sie nach
unten fällt. Auf demselben Effekt basiert auch der Beerawrer (Bienenbrummer) der
Aborigines in Australien, ohne dass natürlich der Erfinder dieses Instruments
seine Funktion erkannt hat. Es handelt sich um ein kleines profiliertes
Holzblatt, das an einem Seil herumgeschleudert, angeströmt und damit durch die
Auftriebswanderung in starke Rotation versetzt wird. Das führt zu einem lauten
Brummen.
Das bedeutet aber, dass eine
klassisch gebaute Tragfläche alleine nicht in der Lage ist, mit einem konstanten
Anstellwinkel zu fliegen. Es muss etwas existieren, das das durch die
Auftriebswanderung aufrichtende Drehmoment kompensiert. Im einfachsten Fall kann
das durch einen tiefer liegenden Schwerpunkt geschehen. Einige Vögel wie etwa
der Storch, aber auch Hängegleiter und Flugdrachen arbeiten nach diesem Prinzip.
Beim Flugzeug übernimmt das
Höhenleitwerk die gleiche Aufgabe. Idealerweise liegen im Normalflug
Auftriebsschwerpunkt und mechanischer Schwerpunkt genau am selben Ort der
Flächentiefe. In einem solchen Zustand hat dann das Höhenleitwerk einen
Anstellwinkel von 0 Grad. Es erzeugt weder Auf- noch Abtrieb. In der Realität
kann es im Normalflug je nach Flugzeugauslegung ein klein wenig Auf- oder
Abtrieb erzeugen.
Weicht nun die Lage des
Flugzeugs von der Normalfluglage ab, beispielsweise hervorgerufen von einem
Steuerbefehl des Piloten oder durch eine Böe, so wird sich nun – je nach
Auslenkung – der Auftrieb an der Tragfläche teilweise stark verschieben.
Gleichzeitig erhält jedoch das Höhenleitwerk einen Anstellwinkel und beginnt
Auf- oder Abtrieb zu erzeugen.
Über die Hebelwirkung des
Leitwerkträgers kann das Höhenleitwerk das Flugzeug zurück in die
Normalfluglage bringen. Dies geschieht umso schneller, je länger der
Leitwerksträger und je größer die Leitwerksfläche ist. Somit gelingt es dem
Höhenleitwerk, das Drehmoment durch die Auftriebswanderung zu kompensieren, wenn
es hinreichend groß ist und der Leitwerksträger eine ausreichende Länge hat.
S
statt Leitwerk
Aufmerksame Leser werden
einwenden wollen, dass es aber durchaus Flugzeuge gibt, die stabil fliegen und
dennoch auf das Höhenleitwerk verzichten können. Tatsächlich wurden solche
Flugzeuge konstruiert. Man versprach sich durch die Entfernung des Leitwerks
eine Verringerung des Strömungswiderstands. Eine Hoffnung, die sich allerdings
nicht erfüllte. Daher werden im manntragenden Flug heute keine
Nurflügel-Konstruktionen mehr gebaut. Man findet sie jedoch vereinzelt noch im
Modellbau.
Der Trick, der angewendet
wird, um auf das Höhenleitwerk verzichten zu können, liegt hierbei in der Wahl
des verwendeten Profils. Es gibt eine ganze Reihe von Profilen, die im Gegensatz
zu den klassischen Profilen keine einfach gewölbte Profillinie haben.
Vielmehr ist sie S-förmig gewellt.
Oben: klassisches Profil, unten: Profil mit S-Schlag
Das Besondere bei
S-Schlag-Profilen ist, dass sich die Auftriebswanderung im Vergleich zum
klassischen Profil exakt umgekehrt verhält. Der Auftrieb wandert mit zunehmendem
Anstellwinkel nach hinten und wirkt dabei automatisch rückstellend. Mit einem
S-Schlag-Profil kann man also recht leicht Flugzeuge ohne Höhenleitwerk
konstruieren, die sehr eigenstabil fliegen. Leider haben solche Profile keine
besonders hohe aerodynamische Qualität. Ein Hochleistungsflugzeug wird sich
damit kaum konstruieren lassen.
Höhe ziehen?
Normalfluglage, das Höhenleitwerk trägt nicht
Erhöhter Anstellwinkel, das Höhenleitwerk erzeugt Auftriebsbeiwert
Nun hat das Höhenleitwerk bei einem klassisch konstruierten Flugzeug nicht nur
die Aufgabe, die Fluglage zu stabilisieren, sondern besitzt auch eine Klappe –
das so genannte Höhenruder. Auch diese Bezeichnung ist missverständlich. Das
Höhenruder bewirkt nicht, dass das Flugzeug nach oben fliegt. Das scheint nun
der Alltagserfahrung zu widersprechen, denn ein Flugzeug steigt in der Regel,
wenn man Höhe zieht. Doch schauen wir uns den Sachverhalt genauer an.
Ein Flugzeug fliegt, weil
seine Tragfläche durch die Anströmung einen Auftrieb erzeugt, der seiner
Gewichtskraft genau entgegenwirkt (vergleiche Grundlagen-Serie in Modell AVIATOR
1/2009). Dieser Auftrieb ist unter anderem vom Anstellwinkel der Tragfläche,
aber auch von der Anströmgeschwindigkeit abhängig. Soll nun jedoch das Flugzeug
an Höhe gewinnen, muss die Auftriebskraft größer sein als die Gewichtskraft. Das
erreicht man demzufolge entweder durch Erhöhung der Fluggeschwindigkeit oder des
Anstellwinkels. Zur Erhöhung der Fluggeschwindigkeit genügt beherztes Gas geben.
Dies kostet jedoch Energie und ein reines Segelflugzeug ist dazu überhaupt
nicht in der Lage. Daher soll uns die Veränderung des Anstellwinkels näher
interessieren. Aber wie ändert man den Anstellwinkel der Tragfläche?
Verringerter Anstellwinkel, das Höhenleitwerk erzeugt Abtrieb
Ein Ausschlag des Höhenruders erzeugt ein Drehmoment um die Querachse
Durch einen Ruderklappenausschlag nach oben wird der mittlere Auftrieb nach
vorne gerückt
Nun haben wir schon gesehen,
dass das Höhenleitwerk alleine es vermag, einen zu großen oder zu kleinen
Anstellwinkel zu korrigieren, indem es jeweils durch seinen eigenen
veränderten Anstellwinkel Auf- beziehungsweise Abtrieb erzeugt. Diesen Zustand
kann man aus der Normalfluglage erzwingen, indem man aus dem symmetrischen
Höhenleitwerksprofil ein gewölbtes macht. Dazu dient die Klappe an der
Endleiste des Höhenleitwerks – das Höhenruder. Schlägt es so aus, dass das
Höhenleitwerk Abtrieb zu erzeugen beginnt, entsteht über dem Leitwerksträger
ein Drehmoment, das nun in der Lage ist, den Anstellwinkel zu vergrößern.
Nun fliegt das Flugzeug bei
zunächst gleich bleibender Geschwindigkeit mit einem höheren Anstellwinkel. Die
Tragflächen erzeugen damit mehr Auftrieb als für die Kompensation der
Gewichtskraft nötig ist. Das Flugzeug beginnt zu steigen. Doch wie kann man den
Anstellwinkel eines Flugzeugs ohne Höhenleitwerk ändern? Es gibt zur Lösung
dieses Problems mehrere Möglichkeiten:
1. Es ist möglich, den
Schwerpunkt durch Gewichtsverlagerung im Modell zu verändern. In diesem Fall
rücken Auftriebspunkt und Schwerpunkt auseinander, ein Drehmoment entsteht.
Diese Lösung findet man selten, aber sie wird verwendet. Leider hat diese im
Grunde elegante Methode den Nachteil, dass durch eine Schwerpunktveränderung
die aerodynamische Stabilität und die Gleitleistung beeinträchtigt werden, was
zu durchaus kritischen Flugzuständen führen kann.
Kompensation der Auftriebswanderung durch eine tief liegende Masse (Pilot) beim
Gleitschirm
2. Man kann eine Klappe am
Profil vorsehen, ähnlich dem Höhenruder, die nach oben ausschlägt und damit den
S-Schlag des Profils weiter erhöht. Das hat zur Folge, dass, bei zunächst gleich
bleibendem Anstellwinkel, der mittlere Auftrieb nach vorne wandert und dadurch
das nötige Drehmoment erzeugt. Dabei bleibt die eigenstabile Charakteristik des
S-Schlag-Profils nicht nur erhalten, sie wird sogar noch verstärkt, was jedoch
der Ruderwirkung leider etwas entgegenwirkt.
Dies bedeutet, dass ein recht
starker Ausschlag nötig werden kann, der dann jedoch durch eine starke
Entwölbung des Profils möglicherweise die Auftriebseigenschaften negativ
beeinflusst. Auch dies ist nicht gewünscht. Um dieser Problematik zu begegnen,
wird bei Nurflügeln oft eine sehr geringe aerodynamische Stabilität angestrebt,
um schon bei sehr kleinen Ruderausschlägen und damit verbundenen kleinen
Drehmomenten eine große Veränderung des Anstellwinkels zu erzeugen.
3. Es existiert noch eine
weitere Möglichkeit, die der zweiten Lösung scheinbar entgegensteht: Wie wir
weiter oben schon gesehen haben, muss im Grunde lediglich der Auftrieb
vergrößert werden, um an Höhe zu gewinnen. Die bisherigen Strategien erreichten
dies durch Vergrößerung des Anstellwinkels. Doch auch eine Wölbungsveränderung
führt bekanntlich zu einem höheren Auftrieb des Profils. Daher kann – bei
bestimmten Profilen, die aufgrund ihrer Konstruktion keine allzu starke
Verlagerung des Auftriebsschwerpunkts mit dem Ruderausschlag besitzen (meist
sehr gering gewölbte Profile) – auch ein Ruderausschlag nach unten einen
erhöhten Auftrieb bewirken. Hierbei gibt es jedoch eine Gefahr. Wird das Ruder
eines S-Schlag-Profils nach unten bewegt, so wird der S-Schlag verkleinert oder
verschwindet sogar ganz. Dadurch verliert das Profil seine eigenstabilen
Eigenschaften. Im schlimmsten Fall kann dies zu völlig unkontrollierbaren
Flugzuständen führen. Die ersten Konstruktionen der Gebrüder Horten zeigten
genau dieses Problem.
Feinabstimmung
Das Höhenleitwerk hat die
Aufgabe, stabilisierend auf das Flugverhalten einzuwirken. Die Größe der
Leitwerksfläche sowie die Länge des Leitwerksträgers haben auf die Höhe der
Stabilität einen entscheidenden Einfluss. Vor allem bei Flugmodellen ist eine
hohe aerodynamische Stabilität bei gleichzeitig geringer Schwingungsneigung um
die Querachse gewünscht, da vor allem Modellsegelflugzeuge oft auf großer
Höhe geflogen werden und die Fluglage dabei nicht besonders gut beurteilt werden
kann. Daher kommen der genauen Abstimmung der Höhenleitwerksfläche und der Länge
des Leitwerksträgers zentrale Bedeutungen zu. Dabei gilt es ein ausreichendes
Stabilitätsmaß zu erreichen und gleichzeitig die Größe des Höhenleitwerks so
gering wie möglich zu halten. Auch aus dynamischen Gründen ist es dabei von
Vorteil, wenn der Leitwerksträger zu Gunsten eines kleineren Höhenleitwerks
etwas länger gewählt wird. Dadurch wird die Schwingungsneigung reduziert. Es ist
jedoch auf Leichtbau zu achten, um die Querachsenträgheit möglichst klein zu
halten.
Eine solche Dimensionierung,
vor allem, wenn dabei auch noch Fragen der gegenseitigen Strömungsbeeinflussung,
der Schwerpunktlage, der Gleitleistung und vieles mehr berücksichtigt werden
sollen, lassen sich sinnvoll nur noch mittels einer PC-Software durchführen.
Simulation FLZ_Vortex von Frank Ranis
(http://freenet-homepage.de/frankranis/flz_vortex.html)
Über die
Grundbegriffe hinausgehende Kenntnisse der Aerodynamik sind bei diesem
Programm nicht erforderlich. Nach allen bisherigen Tests vieler Modellpiloten
fliegen mit diesem Programm dimensionierte beziehungsweise eingestellte Modelle
auf Anhieb und ohne weitere Korrekturen.
Die
Ente
Eine besondere Bauform des
Höhenleitwerks soll nicht unerwähnt bleiben:
Der
Canard-Flügel.
Canards und Entenflügel
Stabilisierung eines Canard-Flügels
Dabei ist die Position von
Höhenleitwerk und Tragfläche vertauscht. Zunächst mag diese Konstruktion paradox
erscheinen, ist es doch so, dass etwa bei einem zu hohen Anstellwinkel das
Höhenleitwerk ebenso wie die Tragfläche stärker angestellt wird. Dadurch
erfährt die Tragfläche natürlich eine Verschiebung des Auftriebs nach vorne. Das
Höhenleitwerk jedoch wird wegen seines ebenfalls höheren Anstellwinkels stärker
tragen. Im Grunde würde man erwarten, dass in dieser Konfiguration kein stabiler
Flug möglich wäre.
Durch zwei konstruktive
Maßnahmen wird Stabilität dennoch erreicht. Zum einen ist der Canard-Flügel sehr
viel kleiner als die zurückliegende Tragfläche, zum anderen liegt der
Schwerpunkt vor der Tragfläche. Dadurch erfüllt die Tragfläche die
stabilisierende Aufgabe des Höhenleitwerks und dieses kompensiert lediglich die
viel zu große Schwerpunktvorverlagerung.
Der Vorteil dieser
Konstruktion ist, dass der Canard-Flügel wegen seiner geringeren Größe bei einer
kleineren Re-Zahl betrieben wird. Das hat zur Folge, dass bei hohen
Anstellwinkeln ein Strömungsabriss zuerst am Canard stattfindet.
Er verliert
seine stützende Eigenschaft und das Flugzeug kippt nach vorne. Dadurch
verringert sich der Anstellwinkel wieder in den unkritischen Bereich und die
Strömung liegt erneut an. An der Tragfläche kam es dabei noch zu keinem
Strömungsabriss. Canard-Auslegungen sind demnach sehr unkritisch was das
Überziehen anbelangt und somit durchaus für Einsteiger geeignet. Der Nachteil
der Konstruktion ist jedoch, dass der Canard trotz seiner geringen Größe
einen schon recht hohen Auftrieb liefern muss. Dadurch wird er einen sehr viel
größeren induzierten Widerstand zeigen als das Höhenleitwerk einer klassischen
Flugzeugkonstruktion.
Klassisch
In der Geschichte der
Luftfahrt wurden viele verschiedene Konstruktionen von Höhenleitwerken
untersucht und ausprobiert. Die Erfahrung hat dabei gezeigt, dass die mit
Abstand beste Flugleistung mit der klassischen Konstruktion eines
zurückliegenden Höhenleitwerks zu erreichen ist. Selbst die Natur verzichtet
nicht darauf, was ein deutlicher Hinweis darauf ist, dass das Konzept schon
recht weite Optimierungen zulässt.
Andere Konstruktionen wie der
Canard oder der völlige Verzicht auf ein Höhenleitwerk haben sich, trotz einiger
spezifischer Vorteile, nicht durchsetzen können. Die mit diesen Alternativen
einhergehenden Kompromisse wogen die Vorteile nicht auf. Moderne Entwürfe von
Verkehrsflugzeugen nehmen hingegen das Nurflügel-Konzept oder auch das
Canard-Prinzip wieder auf. Diesen Entwürfen liegt jedoch die Bestrebung
zugrunde, den sehr voluminösen Rumpf eines Großraumflugzeugs möglichst in die
gesamte Auftrieb erzeugende Fläche zu integrieren.
Quelle:
http://www.modell-aviator.de