Trägheitskupplung - Inertia coupling
In der Luftfahrt ist die Trägheitskopplung , auch Trägheitskupplung und Trägheitsrollkupplung genannt , ein potenziell katastrophales Phänomen des Hochgeschwindigkeitsfluges, das den Verlust von Flugzeugen und Piloten verursachte, bevor die Konstruktionsmerkmale dem entgegenwirkten (z. B. eine ausreichend große Flosse) verstanden. Es tritt auf, wenn die Trägheit eines schweren Rumpfes die Fähigkeit der vom Flügel und Leitwerk erzeugten aerodynamischen Kräfte und Momente zur Stabilisierung des Flugzeugs übersteigt . Das Problem wurde offensichtlich , als Jet - Kampfflugzeuge und Forschungsflugzeug mit schmalem entwickelt wurden Spannweiten , die relativ niedrige hatte Rolle Trägheit, verursacht durch einen langen , schlanken hochdichten Rumpf , im Vergleich zu den Nick- und Gier Trägheiten.
Der Begriff Trägheit / Trägheitskopplung, der sich auf die Divergenz während eines Rollmanövers bezieht, wurde als irreführend beschrieben, da das vollständige Problem sowohl die aerodynamische als auch die Trägheitskopplung ist. Beiträge zum Manöver sind komplex und umfassen Trägheitskopplung, aerodynamische Kopplung und die Trägheitsverhältnisse um die drei Achsen, die alle gleichzeitig auftreten. Jedoch Trägheitskopplung hat sich auch als im wesentlichen einen gyroskopischen Effekt, also eine Tendenz eines Rumpfs definiert worden ist , wenn sie schnell gerollten, aus der Flugrichtung wegschwenken und Breitseite zum Wind werden und als solche von Phillips analysiert. Die Trägheitsrollkopplung wurde als resonante Divergenz der Steigung oder des Gierens definiert, wenn die Rollrate gleich der niedrigeren der Eigenfrequenzen der Steigung oder des Gierens ist.
Beschreibung
Eine Trägheitskopplung tritt tendenziell auf, wenn ein Flugzeug mit der oben beschriebenen Gewichtsverteilung schnell um eine andere Achse als seine Rollachse gerollt wird. Der Tendenz kann durch eine Reihe von Strategien entgegengewirkt werden, die die Erhöhung der Richtungsstabilität und die Verringerung der zulässigen Rollrate und -dauer sowie die Begrenzung des Anstellwinkels für die Durchführung von Rollmanövern umfassen.
Die Ursache der störenden Bewegung kann sichtbar gemacht werden, indem man sich vorstellt, dass die Flugzeugmasse an zwei Stellen konzentriert ist, "hantelartig" auf ihrer Rollachse, eine vor dem Schwerpunkt und die andere dahinter. Das Flugzeug fliegt entlang seiner aerodynamischen oder Windachse mit der "Hantel" in einem bestimmten Anstellwinkel. Das Rollen um die aerodynamische Achse führt dazu, dass sich die Massen außerhalb der Achse nach außen bewegen.
Der Trend bei der Konstruktion von Kampfflugzeugen in den 1950er Jahren, kurze Spannweiten, Rümpfe mit hoher Dichte und Flug in großer Höhe, erhöhten tendenziell die Trägheitskräfte aufgrund des Rollens im Vergleich zu den aerodynamischen Rückstellkräften, die durch die Längs- und Richtungsstabilitäten bereitgestellt werden. Durch die Rollbewegung wird eine Kopplung zwischen Längs- und Querbewegungen des Flugzeugs eingeführt. Obwohl ein typisches Düsenflugzeug den größten Teil seiner Masse nahe seiner Mittellinie verteilt hat und die aerodynamischen Kräfte und Momente in Flugzeugen eine gewisse Stabilisierung bewirken (so dass kleine Schwankungen in der Steuerung dazu neigen, es wieder in das Lagegleichgewicht zu bringen), ist es wichtig, sich daran zu erinnern Flugzeuge fliegen realistisch immer mit einer kleinen zufälligen Gier- und Nickrate ungleich Null.
Frühe Geschichte
Die Trägheitsrollkopplung wurde 1948 von William Phillips, der für die NACA arbeitete, als gyroskopischer Effekt vorhergesagt und analysiert . Seine Analyse war älter als das Flugzeug, das die von ihm vorhergesagten heftigen Bewegungen erfahren würde, das Forschungsflugzeug der X-Serie und das Kampfflugzeug der Century-Serie in den frühen 1950er Jahren. Vor dieser Zeit hatten Flugzeuge tendenziell eine größere Breite als Länge, und ihre Masse war im Allgemeinen näher am Massenmittelpunkt verteilt . Dies galt insbesondere für Propellerflugzeuge, aber auch für frühe Düsenjäger. Erst als das Flugzeug begann, die aerodynamische Oberfläche zu opfern, um den Luftwiderstand zu verringern und längere Feinheitsverhältnisse zu verwenden , die den Überschallwiderstand verringerten, wurde der Effekt offensichtlich. In diesen Fällen war das Flugzeug im Allgemeinen viel rumpflastiger, so dass sein Kreiseleffekt die kleinen Steuerflächen überwältigte.
Die Trägheitsrollkupplung war eine von drei unterschiedlichen Kopplungsmodi, die bei Mach 3.2 aufeinander folgten und Piloten Kapitän Mel Apt bei seinem ersten Flug in der raketengetriebenen Bell X-2 am 27. September 1956 töteten. Die Trägheitsrollkupplung hatte Chuck Yeager in der X-1A drei Jahre zuvor. Die Rollkupplungsstudie des X-3 Stiletto (erstmals 1952 geflogen) war extrem kurz, lieferte aber wertvolle Daten. Abrupte Querruderwalzen wurden bei Mach 0,92 und 1,05 durchgeführt und erzeugten "störende" Bewegungen und übermäßige Beschleunigungen und Lasten. Die ersten beiden Serienflugzeuge mit Trägheitsrollkupplung waren die F-100 Super Sabre und die F-102 Delta Dagger (beide erstmals 1953 geflogen). Der F-100 wurde mit einem größeren vertikalen Heck modifiziert, um seine Richtungsstabilität zu erhöhen. Der F-102 wurde modifiziert, um die Flügel- und Heckflächen zu vergrößern, und mit einem erweiterten Steuerungssystem ausgestattet. Um die Steuerung des Piloten bei dynamischen Bewegungsmanövern zu ermöglichen, wurde der Heckbereich des F-102A um 40% vergrößert. Im Fall des F-101 Voodoo (erstmals 1954 geflogen) wurde ein Stabilitätsverbesserungssystem an den A-Modellen nachgerüstet, um dieses Problem zu bekämpfen. Der Douglas Skyray war nicht in der Lage, Konstruktionsänderungen zur Steuerung der Trägheitsrollkupplung vorzunehmen, und hatte stattdessen eingeschränkte Manövergrenzen, bei denen Kopplungseffekte keine Probleme verursachten. Der Lockheed F-104 Starfighter (erstmals 1956 geflogen) hatte seinen Stabilisator (horizontale Heckfläche ) auf seiner vertikalen Flosse montiert, um die Trägheitskopplung zu verringern.