5.4  Steuerung

Control

 

Dieses Kapitel ist unterteilt in:

• 5.4.1  Allgemeines
• 5.4.2  Nicksteuerung
• 5.4.3  Giersteuerung
• 5.4.4  Rollsteuerung
• 5.4.5  Maßnahmen zur Verringerung der Steuerkräfte
• 5.4.6  Ruderflattern und Massenausgleich
• 5.4.7  Trimmung

5.4.1  Allgemeines

Grundlagen, Achsensysteme

Mit dem Lenkrad eines Autos kannst du nur nach links oder nach rechts lenken, denn es bewegt sich in einer zweidimensionalen Ebene. Ein Flugzeug dagegen bewegt sich im dreidimensionalen Raum. Es muss in der Lage sein, Bewegungen um drei Achsen (siehe Abb. 5.4.2) auszuführen. Daher benötigt ein Flugzeug eine Steuerung, die kontrollierte Bewegungen um die Hochachse, die Querachse und die Längsachse ermöglicht.

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Die Längsachse ist eine gedachte Linie vom Heck zur Nase des Flugzeugs. Die Querachse verläuft von einer Flügelspitze zur anderen. Die Hochachse steht senkrecht auf der durch Längs- und Querachse aufgespannten Ebene. Alle drei Achsen gehen durch den Schwerpunkt und stehen senkrecht aufeinander.

Um die Bewegung eines Flugzeugs zu beschreiben ist es manchmal nützlich, zusätzlich die Richtungen der drei Achsen zu berücksichtigen. Sie sind so festgelegt:

            Längsachse (x-Achse) – positiv nach vorn (in Flugrichtung)

            Querachse   (y-Achse) – positiv nach rechts

            Hochachse   (z-Achse) – positiv nach unten

Ein Flugzeug bewegt sich normalerweise nach vorn in Richtung der Längsachse. Seine Fluggeschwindigkeit ist immer positiv, rückwärts kann ein Flugzeug nicht fliegen.

Bewegt sich ein Flugzeug zusätzlich in Richtung der Querachse, dann schiebt es – nach rechts positiv nach links negativ.

In Richtung der Hochachse geht es um Steigen und Sinken. Sinkt es, dann hat die Geschwindigkeit in Hochachsenrichtung ein positives Vorzeichen; steigt es, dann ist das Vorzeichen negativ.

Ein Segelflugzeug hat drei Leitwerksflächen:

Das Höhenleitwerk besteht aus der Höhenflosse, an der eine drehbare Klappe, das Höhenruder, angebracht ist. Es gibt auch das so genannte Pendelleitwerk, das nur aus einem einzigen beweglichen Teil besteht. Pendelruder bedeutet das gleiche. Das Höhenruder wird durch Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Steuerknüppels verstellt.

Das Seitenleitwerk besteht aus der Seitenflosse und dem Seitenruder. Das Seitenruder wird durch Treten der Pedale verstellt.

Die Querruder sind Klappen, die im Außenbereich der Flügel an der Hinterkante angebracht sind. Die Querruder werden durch seitliches Bewegen des Steuerknüppels verstellt.

Mit diesen drei Rudern kann das Segelflugzeug um seine drei Achsen gesteuert werden.

• Ein Ausschlag des Höhenruders bewirkt eine Drehung um die Querachse. Diese Drehbewegung bezeichnen wir als Nicken.
• Ein Ausschlag des Querruders bewirkt eine Drehung um die Längsachse. Diese Drehbewegung bezeichnen wir als Rollen.
• Ein Ausschlag des Seitenruders bewirkt eine Drehung um die Hochachse. Diese Drehbewegung bezeichnen wir als Gieren oder Wenden.

Sekundäreffekte

Bewegungen des Flugzeugs um seine Querachse werden nur mit dem Höhenruder gesteuert. Seiten- und Querruder haben keinen Einfluss.

Bewegungen des Flugzeugs um seine Längsachse werden primär mit dem Querruder gesteuert. Jedoch beeinflussen auch Seitenruderausschläge die Bewegung um die Längsachse. Dies ist der Sekundäreffekt des Seitenruders.

Bewegungen des Flugzeugs um seine Hochachse werden primär mit dem Seitenruder gesteuert. Jedoch beeinflussen auch Querruderausschläge die Bewegung um die Hochachse. Dies ist der Sekundäreffekt des Querruders.

Anstellwinkeländerung

5.4.2  Nicksteuerung

Wenn du den Knüppel nach vorne drückst, senkt sich die Nase des Flugzeugs nach unten. Der Anstellwinkel wird kleiner und die Geschwindigkeit nimmt zu. Wenn du den Knüppel zu dir hinziehst, hebt sich die Nase nach oben, der Anstellwinkel wird größer und die Geschwindigkeit nimmt ab.

Höhenleitwerk

Wenn sich das Leitwerk hebt und die Nase senkt, ist das eine Drehung um die Querachse. Das Höhenleitwerk mit dem Höhenruder dient dazu, dem Piloten das Fliegen mit einem bestimmten Anstellwinkel zu ermöglichen. Wenn du die Längsneigung änderst, ändert sich auch der Anstellwinkel und du fliegst mit einer anderen Geschwindigkeit. Das Höhenleitwerk ist so weit von der Querachse entfernt, um ein möglichst großes Moment (Kraft mal Hebelarm) um die Querachse zu erzeugen. So kannst du das Flugzeug mit kleinen Steuerkräften in die gewünschte Lage bringen.

Auf den meisten Bildern sieht man Segelflugzeuge mit T-Leitwerk. Bei einem T-Leitwerk sitzt das Höhenleitwerk auf dem Seitenleitwerk. Diese Leitwerksanordnung ist heute am häufigsten anzutreffen. Bei den meisten älteren Segelflugzeugtypen befinden sich das Höhenleitwerk am unteren Ende des Seitenleitwerks, und wir nennen es Kreuzleitwerk. Darüber hinaus kennen wir auch das sehr seltene V-Leitwerk. Üblicherweise besteht ein Leitwerk aus der feststehenden (Dämpfungs-) Flosse und dem beweglichen Ruder.

Beim V-Leitwerk sind Seitenleitwerk und Höhenleitwerk kombiniert. Es gibt zwei Leitwerksflächen, die zusammen eine V-Form bilden. Hinter den Flossen befinden sich die beweglichen Ruder.

Auswirkung des induzierten Abwinds

Wir wissen bereits, dass sich die verschiedenen von der Luft umströmten Bauteile eines Flugzeugs gegenseitig beeinflussen. Erinnere dich an den Interferenzwiderstand. Außerdem hast du gelernt, dass die Luft, die den Flügel umströmt, nach unten abgelenkt wird. Nur dadurch kann Auftrieb erzeugt werden.

Schwerpunktlage

Im nächsten Kapitel 5.5 geht es um Betriebsgrenzen. Zu den Betriebsgrenzen eines Flugzeugs gehört auch die Eingrenzung der Lage des Schwerpunkts, der zulässige Schwerpunktbereich. Die hintere Grenze ergibt sich aus der Notwendigkeit, dass das Flugzeug ein stabiles Flugverhalten aufweisen muss und sicher aus einer Trudelbewegung herausgesteuert werden kann.

5.4.3  Giersteuerung

Fußsteuer und Seitenleitwerk

Mit dem Fußsteuer, also den Seitenruderpedalen steuerst du das Ruder. Wenn du das rechte Pedal trittst, schlägt das Ruder nach rechts aus. Das Seitenleitwerk wird nach links gedrückt, und deshalb schwenkt die Nase nach rechts. Dies ist die Drehung um die Hochachse. Man nennt sie Gieren oder Wenden.

Schieberollmoment

Wenn du Seitenruder links gibst, giert/wendet das Segelflugzeug nach links. Du siehst, dass die Nase nach links wegdreht, das Segelflugzeug schiebt. Aber was passiert außerdem?

5.4.4  Rollsteuerung

Mit dem Steuerknüppel bewegst du die Querruder. Wenn du den Steuerknüppel nach rechts drückst, drehst du das linke Querruder nach unten und das rechte nach oben. Der Auftrieb am linken Flügel wird größer, der Auftrieb am rechten Flügel wird kleiner. Daher hebt sich der linke Flügel, und der rechte Flügel senkt sich. Diese Drehbewegung nennen wir Rollen. Das Segelflugzeug rollt um seine Längsachse. Dies ist eine gedachte Linie durch den Rumpf des Flugzeugs, also von der Nase durch den Schwerpunkt zum Schwanz.

Querruderwirkung bei verschiedenen Flugzuständen

Bei normalen Geschwindigkeiten wirkt das Querruder so, wie es soll. Bei höheren Geschwindigkeiten nehmen die Steuerkräfte zu, – wie bei den anderen Rudern auch –, und um die gewünschte Querruderwirkung zu erzielen, musst du den Steuerknüppel etwas energischer anfassen.

Negatives Wendemoment

Wenn wir den Flügel horizontal halten, fliegt das Flugzeug geradeaus. Was passiert, wenn wir den Knüppel nach links bewegen? Klar, der rechte Flügel hebt sich, der linke neigt sich nach unten. Aber das ist noch nicht alles, wir müssen die Sache genauer untersuchen.

Eine Bewegung des Steuerknüppels nach links führt zu einem Ausschlag des rechten Querruders nach unten und zu einem linken Querruderausschlag nach oben. Der rechte Flügel mit dem Querruderausschlag nach unten liefert größeren Auftrieb, der linke Flügel mit dem nach oben ausgeschlagenen Querruder erzeugt kleineren Auftrieb. Durch diese Auftriebsdifferenz dreht sich das Flugzeug um seine Längsachse, in diesem Beispiel gegen den Uhrzeigersinn (in Flugrichtung gesehen).

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Der rechte Flügel mit nach unten ausgeschlagenem Querruder erzeugt nicht nur mehr Auftrieb, sondern auch mehr Widerstand – hauptsächlich induzierten Widerstand. Der linke Flügel verursacht weniger Auftrieb und damit auch weniger Widerstand. Das Flugzeug dreht sich also nicht nur um seine Längsachse, sondern aufgrund der Widerstandsdifferenz auch um seine Hochachsechse, nämlich nach rechts, mit der Nase in Richtung des angehobenen Flügels. Dieser Effekt wird als negatives Wendemoment bezeichnet, weil die Drehbewegung (Wenden = Gieren) in die falsche Richtung geht.

Durch Rollen infolge des Querruderausschlags hat das Segelflugzeug eine bestimmte Querneigung eingenommen. Der Auftrieb steht immer senkrecht zum Flügel. Also müssen wir das Gewicht G in eine Komponente G₁ senkrecht zum Flügel und eine Komponente G₂ parallel zum Flügel zerlegen. Unter dem Einfluss von G₂ gleitet das Segelflugzeug seitlich (Rutschen). Diese seitliche Bewegung verursacht eine Querströmung, das Segelflugzeug schiebt. Das Seitenleitwerk wird nun von der Seite angeblasen (unter einem entsprechenden Anstellwinkel), was eine Seitenleitwerkskraft nach rechts bewirkt, und somit dreht das Segelflugzeug um die Hochachse nach links – es giert. Dieses Schiebe-Gier-Moment kommt beim Geradeausflug ungelegen, denn sobald ein Flügel ein wenig hängt, fängt das Segelflugzeug an zu schieben, dadurch zu gieren, und fliegt in die falsche Richtung. Beim Einleiten einer Kurve ist dieser Sekundäreffekt von Vorteil.

Das negative Wendemoment und das Schiebe-Gier-Moment kannst du gut im Flug beobachten. Wähle einen Blickpunkt in der Ferne und bewege den Steuerknüppel nach links.

Du siehst, dass sich die Nase des Segelflugzeugs zunächst nach rechts dreht (1). Wenn die Querneigung beibehalten wird, wird das Flugzeug aufgrund des Schiebe-Gier-Moments schließlich nach links drehen (2). Bei einer Bewegung des Steuerknüppels nach rechts ist das Gegenteil der Fall.

Maßnahmen zur Reduzierung des negativen Wendemoments

Aerodynamischer Ausgleich

Querruderdifferenzierung

Querruderdifferenzierung bedeutet, dass der Ausschlag des Querruders nach unten kleiner ist als der Ausschlag des Querruders nach oben, größenordnungsmäßig nur halb so groß. Der Grund dafür ist der, dass Ruderausschläge nicht beliebig groß werden dürfen. Ab einem bestimmten Klappenwinkel steigt die Ruderwirkung kaum noch an, nur der Widerstand wird größer. Diese Grenze wird bei einem positiv gewölbten Profil bei Ausschlag nach unten viel eher erreicht, als bei Ausschlag nach oben. Die Differenzierung sorgt dafür, dass die jeweiligen Grenzen links und rechts gleichzeitig erreicht werden.

Die Querruderdifferenzierung vermindert prinzipiell die Wirkung des negativen Wendemoments. Die Widerstandsdifferenz zwischen links und rechts wird dadurch geringfügig verringert. Der Effekt ist daher eher marginal. Außerdem musst du folgendes bedenken:

Schieben, Seitengleitflug

Du hast eben erfahren, dass ein Querruderausschlag ohne gleichzeitig Seitenruder zu geben das negative Wendemoment hervorruft und zum Schieben führt. Schieben heißt, dass dein Flugzeug mit einer seitlichen Komponente angeströmt wird und du mit erhöhtem Widerstand fliegst. Das ist nicht gut.

Anders sieht die Sache aus, wenn du deine Sinkgeschwindigkeit erhöhen möchtest, zum Beispiel im Endanflug. Dazu benötigst du zusätzlichen Widerstand, den du normalerweise durch Ausfahren der Luftbremsen erzeugst. Einen ähnlichen Effekt erzielst du, wenn du Querruder gibst, das negative Wendemoment abwartest und dann das Schiebe-Gier-Moment durch einen gegensinnigen Seitenruderausschlag unterdrückst. Wenn Querruder- und Seitenruderausschlag richtig aufeinander abgestimmt sind, befindest du dich nun im Geradeausflug, in einem stationären Schiebeflugzustand. Dies ist der Seitengleitflug, man nennt ihn auch Slip, und in der Schweiz sagt man dazu Glissade.

5.4.5  Maßnahmen zur Verringerung der Steuerkräfte

Aerodynamischer Ausgleich

Große Steuerkräfte ermüden auf Dauer den Piloten und schränken damit seine Leistungsfähigkeit auf längeren Flügen ein.

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Beim Seitenruder eignet sich hierzu beispielsweise der Hornausgleich. Ein Teil der Ruderfläche befindet sich vor der Drehachse und reduziert so das Rudermoment.

Um die Quersteuerkräfte zu vermindern eignet sich die Querruderdifferenzierung. Je größer das Differenzierungsverhältnis, umso kleiner werden die Handkräfte.

Flettnerruder

Zum aerodynamischen Ausgleich der Steuerkräfte dient ein Hilfsruder an der Hinterkante des Höhenruders. Der Antrieb dieses Hilfsruders ist so angelenkt, dass es bei Höhenruderausschlag in entgegengesetzter Richtung ausschlägt. Solche Hilfsruder werden als Flettnerruder bezeichnet. Flettnerruder sind geeignet, um zu große Handkräfte zu reduzieren.

Antiflettnerruder

5.4.6  Ruderflattern und Massenausgleich

Zweck und Ausführung des Massenausgleichs

Diesem Dilemma entkommen wir, wenn am Ruder zusätzliche Masse in Form von Blei oder Stahl vor dem Drehpunkt angebracht wird. Im Idealfall liegt der Schwerpunkt dann in der Ruderachse, und Schwingen der Leitwerksfläche führt zu keinen Ruderausschlägen. Eine solche Maßnahme bezeichnen wir als Massenausgleich.

Es widerstrebt einem Konstrukteur, für den Massenausgleich zusätzliche Masse einbauen zu müssen. Oft ist auch gar kein Platz für einen vollständigen Massenausgleich vorhanden. Deswegen wird in einem aufwändigen Verfahren aus Schwingungsversuchen am Boden und Testflügen ermittelt, wieviel Massenausgleich an jedem Ruder tatsächlich erforderlich ist, um Flattern auszuschließen. In den Wartungshandbüchern findest du zumindest bei neueren Segelflugzeugmustern Angaben darüber, welche Massen und welche Restmomente die einzelnen Ruder haben dürfen. Bei der Qualitätssicherung im Rahmen der Herstellung wurde geprüft, ob die vorgeschriebenen Werte eingehalten werden.

In späteren Jahren wird eventuell einmal eine Neulackierung oder eine Reparatur eines Ruders nötig. Auch dann achtet der Instandhaltungsbetrieb peinlich darauf, dass das Ruder nicht zu schwer wird oder sein Restmoment nicht aus dem zulässigen Bereich herausfällt. Werden solche Arbeiten außerhalb eines Instandhaltungsbetriebs durchgeführt, möglicherweise auch noch von nicht ausreichend qualifiziertem Personal, kann das tragische Folgen haben. Es ist auch schon vorgekommen, dass sich bei einer harten Landung ein Massenausgleich gelöst hatte und am Boden lag. Niemand wusste, woher dieses komische Teil kam, und es wurde einfach weggeworfen … 

Als Anbringungsort für den Massenausgleich eines Seitenruders käme das in Abb. 5.4.15 abgebildete Seitenruderhorn infrage. Eine mögliche Lösung bei T-Leitwerke zeigt Abb. 5.4.16.

Der Massenausgleich des Höhenruders eines T-Leitwerks wird gerne in der senkrechten Antriebsstange in der Seitenflosse untergebracht. Damit dies funktioniert muss der Antriebshebel des Höhenruders natürlich nach vorne zeigen.

Bei Querrudern (und Wölbklappen) bemüht sich der Konstrukteur, in der Kontur zu bleiben, damit die Aerodynamik des Flügels nicht gestört wird. Dann steht dem Massenausgleich allerdings nur ein kleiner Hebelarm zur Verfügung, entsprechend groß ist die erforderliche Masse – häufig mehrere Kilogramm.

5.4.7  Trimmung

Zweck der Trimmung

Unter Trimmen verstehen wir, dass wir den Trimmhebel so einstellen, dass bei der gewünschten Fluggeschwindigkeit das Höhensteuer kräftefrei wird.

Mit anderen Worten: Wenn wir den Steuerknüppel loslassen, fliegt das Flugzeug mit der eingetrimmten Geschwindigkeit weiter. Dies fördert entspanntes Fliegen.

Jeder Pilot hat ein bestimmtes Gewicht. Es bedeutet einen Unterschied, ob vorne im Segelflugzeug jemand sitzt, der 100 kg wiegt, oder jemand, der nur 70 kg wiegt. Der schwerere Pilot muss den Knüppel stärker ziehen, um die Nase am Horizont zu halten. Ständig am Knüppel ziehen zu müssen ist ermüdend. Durch die Trimmung kannst du diese Last loswerden.

Wenn du die Geschwindigkeit änderst, trimmst du nach. Bei z.B. 170 km/h ist die Steuerkraft ziemlich hoch und am Knüppel zu drücken wird auf Dauer anstrengend. Also besser die Trimmung nachstellen, damit du nicht ständig gegen die Höhensteuerkraft arbeiten musst.

Bei Segelflugzeugen sind zwei unterschiedliche Arten von Trimmanlagen üblich: Federtrimmung und Trimmruder.

Trimmruder

Das Trimmruder ist am Höhenruder angebracht. Du kannst das Trimmruder im Fluge mit dem Trimmhebel verstellen. Dies verändert die Ruderstellung bei losgelassenem Höhensteuer.

Abb. 5.4.18  Höhenleitwerk mit Trimmruder