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Höhenleitwerk

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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.

 

 

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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.

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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.

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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?

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Normalfluglage, das Höhenleitwerk trägt nicht

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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?

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Verringerter Anstellwinkel, das Höhenleitwerk erzeugt Abtrieb

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Ein Ausschlag des Höhenruders erzeugt ein Drehmoment um die Querachse

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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.

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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.

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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.

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Canards und Entenflügel

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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

 

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Stand: 05.10.11