Seitenleitwerk

Ein Seitenleitwerk ^{[ 1 ] [ 2 ]} ist der statische Teil des Seitenleitwerks eines Flugzeugs . ^{[ 1 ]} Der Begriff bezeichnet üblicherweise die gesamte Anordnung aus dieser festen Fläche und einem oder mehreren daran befestigten beweglichen Rudern . Ihre Aufgabe ist es, die Gierstabilität und die Trimmung (auch als Richtungsstabilität oder Wetterstabilität bekannt) zu gewährleisten. Es ist Teil des Flugzeugleitwerks , genauer gesagt der Stabilisatoren .

Das Seitenleitwerk ^{[ 3 ]} ist üblicherweise oben auf dem hinteren Rumpf angebracht, während die Höhenleitwerke seitlich am Rumpf montiert sind (eine Konfiguration, die als „konventionelles Leitwerk“ bezeichnet wird). Alternativ werden mitunter auch andere Konfigurationen verwendet, wie beispielsweise ein T-Leitwerk oder ein Doppelleitwerk .

Vertikale Stabilisatoren wurden gelegentlich im Motorsport eingesetzt , beispielsweise bei den Le-Mans-Prototypenrennen .

Das Seitenleitwerk eines Flugzeugs besteht typischerweise aus einem festen Seitenleitwerk, an dem ein bewegliches Seitenruder angebracht ist. Eine Trimmklappe kann ebenfalls am Seitenruder montiert sein. Gemeinsam ermöglichen sie die Trimmung um die Gierachse (Ausgleich von Giermomenten, die durch Asymmetrien in Schub oder Widerstand entstehen ), die Steuerung des Flugzeugs um die Gierachse (z. B. zum Einleiten eines Seitengleitflugs bei einer Seitenwindlandung ) sowie die Stabilisierung um die Gierachse (Windhahn- oder Richtungsstabilität). ^{[ 4 ]}

Je größer der Abstand des Seitenleitwerks vom Schwerpunkt ist, desto effektiver kann es sein. Daher verfügen kürzere Flugzeuge typischerweise über größere Seitenleitwerke; beispielsweise ist das Seitenleitwerk des kurzen Airbus A318 größer als das seiner längeren Pendants der A320-Familie .

Die Effektivität des Seitenleitwerks hängt von seinem Wirkungsgrad und dem Volumenkoeffizienten des Seitenleitwerks ^{[ 5 ]} (auch Volumenverhältnis ^{[ 6 ]} genannt ) ab, der seine Fläche und seinen Arm mit den Abmessungen des Hauptflügels dimensionslos macht:

${\displaystyle V_{\text{v}}={\frac {S_{\text{v}}L_{\text{tail-CG}}}{S_{\text{w}}L_{\text{w}}}}}$

(Dabei stehen die Indizes und für Seitenleitwerk bzw. Tragfläche, für Fläche und typischerweise für die mittlere aerodynamische Flügeltiefe ). Die Werte für den Seitenleitwerkskoeffizienten variieren nur geringfügig zwischen den Flugzeugtypen, mit Extremwerten zwischen 0,02 (Segelflugzeug) und 0,09 (Düsenflugzeug). ^{[ 5 ]}${\displaystyle V}$${\displaystyle W}$${\displaystyle S}$${\displaystyle L_{\text{w}}}$

Die Leitwerkseffizienz ist das Verhältnis des dynamischen Drucks am Leitwerk zu dem im freien Luftstrom. Das Leitwerk erreicht seine maximale Leistungsfähigkeit, wenn es vollständig im freien Luftstrom eingetaucht ist (Effizienz: 1). Bei teilweisem Eintauchen in den Nachlauf verringert sich seine Effektivität, da der Nachlauf einen geringeren dynamischen Druck als der freie Luftstrom aufweist. Um die erforderliche Effektivität unter bestimmten Flugbedingungen wiederherzustellen, muss die Leitwerkshöhe gegebenenfalls erhöht werden. Der Panavia Tornado verfügte über ein hohes Leitwerk zur Verbesserung der Richtungsstabilität bei großen Anstellwinkeln. ^{[ 7 ]}

Das Seitenruder ist das Richtungssteuerorgan und ist üblicherweise am Seitenleitwerk oder Höhenleitwerk angelenkt. Durch seine Bewegung kann der Pilot die Gierbewegung um die Hochachse steuern, d. h. die horizontale Richtung ändern, in die die Flugzeugnase zeigt.

Der maximale Ruderausschlag wird üblicherweise durch einen Ruderausschlagbegrenzer begrenzt . Der größte erreichbare Ruderausschlag unter bestimmten Flugbedingungen wird als Ausschlaggrenze bezeichnet . Sie stellt das Gleichgewicht zwischen den aerodynamischen Kräften auf das Ruder und den mechanischen Kräften des Betätigungsmechanismus dar. ^{[ 8 ]}

Mehrmotorige Flugzeuge, insbesondere solche mit an den Tragflächen montierten Triebwerken, verfügen über große, leistungsstarke Seitenruder. Diese müssen nach einem Triebwerksausfall beim Start unter maximaler Gewichts- und Seitenwindgrenze ^{[ 9 ]} sowie bei normalen Starts und Landungen eine ausreichende Steuerbarkeit gewährleisten. ^{[ 10 ]}

Beim Rollen und zu Beginn des Starts werden Flugzeuge durch eine Kombination aus Seitenruderausschlag und Bug- oder Heckradsteuerung gesteuert. Bei niedrigen Geschwindigkeiten hat das Bug- oder Heckrad die größte Steuerwirkung, doch mit zunehmender Geschwindigkeit steigt der aerodynamische Einfluss des Seitenruders, wodurch dieses für die Giersteuerung immer wichtiger wird. Bei manchen Flugzeugen (hauptsächlich kleinen) werden beide Mechanismen über die Seitenruderpedale gesteuert , sodass für den Piloten kein Unterschied besteht. Andere Flugzeuge verfügen über eine spezielle Steuerpinne für die Radlenkung, während die Pedale das Seitenruder und einen begrenzten Radlenkbereich (üblicherweise 5 Grad Bugradlenkung) steuern. Bei diesen Flugzeugen verwenden die Piloten die Steuerpinne nach dem Ausrichten auf die Startbahn vor dem Start nicht mehr und erst nach der Landung vor dem Abbiegen von der Startbahn wieder, um ein Überkorrigieren mit der empfindlichen Steuerpinne bei hohen Geschwindigkeiten zu vermeiden. Die Pedale können auch für kleine Korrekturen beim Rollen auf gerader Strecke oder beim Ein- und Auslenken einer Kurve verwendet werden, bevor man die Pinne betätigt, um die Kurve gleichmäßig zu halten.

Bei neutraler Steuerstellung kann ein Flugzeug dennoch leicht zur Seite gieren. Dies wird durch die Einstellung einer Trimmklappe korrigiert, oft einer separaten Trimmklappe am Seitenruder, manchmal aber auch direkt am Seitenruder selbst, um dem Gieren entgegenzuwirken und einen geraden Flug zu gewährleisten.

Durch die Einstellung einer Trimmklappe lässt sich die neutrale oder Ruheposition eines Steuerelements (z. B. Höhen- oder Seitenruder) anpassen. Ändert sich die gewünschte Position des Steuerelements (hauptsächlich abhängig von der Fluggeschwindigkeit), ermöglicht eine verstellbare Trimmklappe dem Bediener, den manuellen Kraftaufwand zum Halten dieser Position zu reduzieren – bei korrekter Anwendung sogar auf null. Die Trimmklappe fungiert somit als Servoklappe . Da der Druckpunkt der Trimmklappe weiter von der Drehachse des Steuerelements entfernt liegt als der Druckpunkt des Steuerelements selbst, kann die von der Klappe erzeugte Bewegung der Bewegung des Steuerelements entsprechen. Die Position des Steuerelements auf seiner Achse ändert sich so lange, bis sich die Drehmomente von Steuerelement und Trimmklappe ausgleichen.

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  Bewegung, die durch den Einsatz des Ruders verursacht wird
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  In diesem Foto eines Boeing 727-Cockpits wird das Seitenruder über Seitenruderpedale an der unteren Rückseite des Steuerhorns gesteuert .
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  Seitenruder und Trimmklappe an einem Leichtflugzeug
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  Die Wasserruder dieser Cessna 208 Caravan sind die kleinen vertikalen Flächen am hinteren Ende jedes Schwimmers. Ihre Einstellung erfolgt vom Cockpit aus.

Das Seitenleitwerk spielt eine entscheidende Rolle für die Gierstabilität, da es beim Schleudern des Flugzeugs den größten Teil des erforderlichen Rückstellmoments um den Schwerpunkt liefert. Die Gierstabilität wird typischerweise über die Ableitung des Momentenbeiwerts nach dem Gierwinkel quantifiziert. ^{[ 6 ]}

Die Anströmung des Seitenleitwerks wird häufig durch Rumpf, Tragflächen und Triebwerke des Flugzeugs sowohl in Stärke als auch in Richtung beeinflusst. ^{[ 6 ]} Stark gepfeilte Tragflächen und Höhenleitwerke können wesentlich zur Gierstabilität beitragen; nach hinten gepfeilte Tragflächen erhöhen tendenziell die Gierstabilität. Die Pfeilung von Tragfläche und Höhenleitwerk eines konventionellen Flugzeugs hat jedoch keinen Einfluss auf die Trimmung des Flugzeugs um die Gierachse. ^{[ 6 ]}

Die V-Form der Tragfläche und des Höhenleitwerks kann ebenfalls einen geringen Einfluss auf die statische Gierstabilität haben. Dieser Effekt ist komplex und hängt mit der Wirkung der Flügelpfeilung und der Umströmung des Rumpfes zusammen. ^{[ 6 ]}

Propeller , insbesondere wenn sie sich vorwärts bewegen und ihre Achse einen Winkel zur Anströmgeschwindigkeit bildet , können die statische Stabilität eines Flugzeugs bei Gierbewegungen beeinflussen. ^{[ 6 ]}

Das Seitenleitwerk beeinflusst das Rollverhalten des Flugzeugs , da sein aerodynamischer Mittelpunkt typischerweise weit über dem Schwerpunkt des Flugzeugs liegt. ^{[ 1 ]} Wenn das Flugzeug nach rechts rutscht, erzeugen die relative Wind- und Seitenkraft am Seitenleitwerk ein gegen den Uhrzeigersinn gerichtetes Rollmoment. ^{[ 6 ]}

Im Überschallflug nimmt die Wirksamkeit des Seitenleitwerks mit steigender Machzahl zunehmend ab, bis der Stabilitätsverlust nicht mehr akzeptabel ist. ^{[ 11 ]} Die Stabilität verringert sich, weil der vom Leitwerk erzeugte Auftrieb (Seitenkraft) mit zunehmender Geschwindigkeit für jeden Grad Schiebewinkel (Steigung der Auftriebskurve) abnimmt. Dies resultiert aus der im Vergleich zum Unterschallflug stark veränderten Druckverteilung mit Stoß- und Expansionswellen. ^{[ 12 ]} Um die erforderliche Stabilität bei der maximalen Betriebsgeschwindigkeit des Flugzeugs zu erreichen, kann das Seitenleitwerk vergrößert werden, wie beispielsweise bei der North American F-100 Super Sabre (der anfängliche Flächenbedarf der Leitwerksflosse wurde unterschätzt). Zusätzliche Fläche kann durch die Installation von Bauchleitwerksflossen (wie bei späteren, schnelleren Versionen der Vought F-8 Crusader ) oder klappbaren Flügelspitzen (wie bei der North American XB-70 Valkyrie ) geschaffen werden. Ist ein größeres Leitwerk nicht akzeptabel, können automatische Ruderausschläge eingesetzt werden, um die Seitenkraft am Leitwerk zu erhöhen und die Richtungsstabilität wiederherzustellen. Dieses Verfahren wurde bei der Avro Arrow angewendet . ^{[ 13 ]}

Das Seitenleitwerk weist mitunter an seiner vorderen Basis eine Ausbuchtung oder Rückenflosse auf, die den Strömungsabrisswinkel der Seitenfläche erhöht (und dadurch Wirbelauftrieb erzeugt) und so ein Phänomen namens Ruderblockierung oder Ruderumkehr verhindert. Eine Ruderblockierung tritt auf, wenn die Kraft auf ein ausgeschlagenes Seitenruder (z. B. bei einem stabilen Seitengleitflug ) sich beim Strömungsabriss des Seitenleitwerks plötzlich umkehrt. Dies kann dazu führen, dass das Seitenruder in maximaler Ausschlagstellung blockiert und vom Piloten nicht mehr zentriert werden kann. ^{[ 14 ]} Die Rückenflosse wurde in den 1940er Jahren eingeführt, beispielsweise bei der Douglas DC-4 von 1942, und war damit den Flügelansätzen der in den 1970er Jahren entwickelten Jagdflugzeuge wie der F-16 voraus . ^{[ 15 ]}

Bei großen oder schnellen Flugzeugen wirken auf Seiten- und Höhenruder erhebliche Kräfte, die mit zunehmendem Ruderausschlag ansteigen. Ein Extremfall tritt bei einem Kontrollverlust, dem sogenannten Upset, auf, der im Zusammenhang mit Seiten- und Höhenruder einem übermäßigen Seitengleitflug entspricht. Bei großen Transportflugzeugen wird das für die Wiederherstellung der Fluglage notwendige Stabilisierungsmoment vom Höhenruder erzeugt, sodass nur ein geringer Ruderausschlag erforderlich ist. Diese Flugzeuge müssen unter diesen Umständen keine nahezu maximalen Ruderausschläge aushalten ^{[ 16 ]} , da das zur Verhinderung von Strukturversagen erforderliche Strukturgewicht sie wirtschaftlich unrentabel machen würde. Der Verlust der gesamten Seiten- und Höhenruderbaugruppe ereignete sich bei American-Airlines-Flug 587 , als der Pilot beim Flug im Kielwasser eines sehr großen Jets maximale Ruderausschläge ausnutzte ^{[ 17 ] .}

Klarluftturbulenzen führten zum Ausfall des gesamten Seitenleitwerks einer Boeing B-52 Stratofortress, woraufhin die Piloten eine erfolgreiche Landung durchführten. B-52-Bomber, die mit Instrumenten zur Messung von Böen- und Manöverbelastungen ausgestattet waren, registrierten durch Klarluftturbulenzen verursachte Böen, die deutlich über der Auslegungsgrenze lagen, wobei die höchsten Belastungen in einer Höhe von 34.000 Fuß auftraten. ^{[ 18 ]}

Der Ausfall der Leitwerksflosse des Prototyps English Electric Lightning T4 wurde durch die Kopplung von Trägheitskräften bei Rollversuchen mit hoher Rollgeschwindigkeit verursacht. Die Leitwerksflosse wurde vergrößert und verstärkt, und es wurden Begrenzungen der Rollgeschwindigkeit eingeführt. Allerdings kam es auch beim ersten T5-Prototyp zu einem Leitwerksbruch bei Schnellrollversuchen mit ausgefahrenem Raketenpack. ^{[ 19 ]}

Eine Lightning verlor ihr Seitenleitwerk aufgrund einer Kollision mit einem anderen Flugzeug in geringer Höhe während eines Formationsfluges bei Mach 0,97 im Rahmen einer Kunstflugvorführung. Es wurden Einschränkungen, wie z. B. ein Mindestabstand zwischen den Flugzeugen in Formation, eingeführt. ^{[ 19 ]}

Die Schwingungen an den Seitenleitwerken stellen ein kritisches Problem für Kampfflugzeuge mit Einzel- oder Doppelleitwerken dar, da die Lebensdauer der Leitwerksstruktur durch die schwankenden Belastungen aufgrund von Wirbelbrüchen, die auf das Leitwerk treffen, reduziert wird. Das Einzelleitwerk des Eurofighter Typhoon ist Schwingungsbelastungen durch Wirbelbrüche ausgesetzt, die bei hohen Anstellwinkeln von den Canards und den Flügelvorderkanten ausgehen. Auch die Seiten der oben angebrachten Bremsklappe erzeugen beim Auslenken Wirbel, die nach dem Aufplatzen auf das Leitwerk treffen. Die Schwingungen durch die ausgefahrene Bremsklappe sind am stärksten, wenn der effektive Anstellwinkel der Bremsklappe am größten ist. Bei einer vollständig ausgefahrenen Bremsklappe ist dieser Anstellwinkel bei niedrigen Anstellwinkeln des Flugzeugs am größten und bei Manövern am geringsten. ^{[ 20 ]} Die Doppelleitwerke der McDonnell Douglas F/A-18 Hornet sind Schwingungen durch den Zerfall oder das Aufplatzen des Wirbels der Vorderkantenverlängerung (LEX) vor dem Leitwerk ausgesetzt. ^{[ 21 ]} Die Anbringung eines LEX-Schutzwalls reduziert die Schwingungen deutlich und erhöht die Lebensdauer des Leitwerks. ^{[ 22 ]}

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  Eine B-52H (AF Ser. Nr. 61-0023), die mit Instrumenten zur Messung von Böenkräften zur Untersuchung von Strukturversagen ausgestattet war, flog noch, nachdem ihr Seitenleitwerk am 10. Januar 1964 in schweren Turbulenzen verloren gegangen war. Das Flugzeug landete sicher. ^{[ 23 ]}
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  F/A-18C mit LEX-Schutzgitter, das die Turbulenzen an den Leitwerken reduziert
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  Typhoon zeigt ausgefahrene Luftbremsen, was zu erheblichen Flosseinbrüchen führt.

Flugzeuge mit voll beweglichen Seitenleitwerken, die jedoch nicht in Dienst gestellt wurden, waren die North American F-107 ^{[ 24 ]} und die BAC TSR-2 ^{[ 25 ]} .

Die Lockheed SR-71 Blackbird und die North American X-15 verwendeten feste Stummel für die Leitwerke und Ruder für die verbleibende Höhe. Konventionelle Ruder wären für die SR-71 ungeeignet gewesen, da bei Triebwerksausfall übermäßige Ruderausschläge erforderlich gewesen wären, die einen inakzeptablen Trimmwiderstand verursacht hätten. ^{[ 26 ]} Frühe Entwürfe für die X-15 zeigten ein konventionelles, festes Leitwerk mit Seitenruder und ein Bauchleitwerk. Dies wurde jedoch in Rücken- und Bauchleitwerke geändert, wobei die äußere Hälfte jeweils als Ruder fungierte. ^{[ 27 ]}

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  North American X-15 mit durchgehenden Rudern an festen dorsalen und ventralen Stabilisatoren
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  Die North American A-5 Vigilante verwendete ein voll bewegliches Seitenleitwerk.

Doppelleitwerksflugzeuge besitzen zwei Seitenleitwerke. Viele moderne Kampfflugzeuge nutzen diese Konfiguration. Die beiden Seitenruder können im Fahrwerkszustand zur zusätzlichen Längssteuerung durch Vor- oder Ausschwenken eingesetzt werden ( McDonnell Douglas F/A-18 Hornet ^{[ 28 ]} ). Doppelruder dienen auch als Luftbremse, wie beispielsweise bei der Lockheed Martin F-22 Raptor, die zur Geschwindigkeitsregelung differenzielles Seitenruder in Kombination mit anderen Steuerflächenausschlägen verwendet, da sie keine separate Luftbremse besitzt. ^{[ 29 ]}

Ein Doppelleitwerk kann entweder als H-Leitwerk ausgeführt sein, eine Konstruktion mit zwei Seitenleitwerken und Rudern an einem einzigen Rumpf, wie beispielsweise beim mittelschweren Bomber North American B-25 Mitchell oder der Avro Lancaster , oder als Doppelträger, bei der die hintere Flugzeugzelle aus zwei separaten Trägerstrukturen mit jeweils einem Seitenleitwerk und Ruder besteht, die durch ein Höhenleitwerk verbunden sind, wie beispielsweise bei der North American Rockwell OV-10 Bronco oder dem Transportflugzeug Armstrong Whitworth AW.660 Argosy .

Eine Variante des Doppelleitwerks ist das Dreifachleitwerk mit drei Seitenleitwerken. Die Avro Manchester aus dem Zweiten Weltkrieg erhielt ein drittes Leitwerk, da sich die ursprünglichen zwei Leitwerke als unzureichend erwiesen hatten. Die Lockheed Constellation nutzte drei Leitwerke, um die erforderliche Fläche der Seitenleitwerke zu gewährleisten und gleichzeitig die Gesamthöhe so gering zu halten, dass das Flugzeug für Wartungsarbeiten in Hangars untergebracht werden konnte.

Ein V-Leitwerk besitzt keine separaten Höhen- oder Seitenleitwerke. Diese sind stattdessen in die Ruder integriert, die sowohl Nick- als auch Gierbewegungen steuern. Die Anordnung ähnelt dem Buchstaben V und wird auch als „Schmetterlingsleitwerk“ bezeichnet. Die Beechcraft Bonanza Model 35 und die Lockheed F-117 Nighthawk verwenden diese Konfiguration .

Die Winglets der Canard -Pusher-Konfigurationen Rutan VariEze und Rutan Long-EZ dienen sowohl als Flügelspitzenvorrichtung als auch als Seitenleitwerk. Dieses Konstruktionselement wird auch von mehreren anderen Varianten dieser und ähnlicher Flugzeuge verwendet.

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  Eine Lockheed Constellation mit dreifachem Leitwerk
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  Das V-Leitwerk einer Fouga CM.170 Magister der belgischen Luftwaffe
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  Das V-Leitwerk der YF-23
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  Die Caproni Ca.3 war sowohl ein Doppelausleger- als auch ein Dreifachleitwerksmodell.
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  Rutan Long-EZ
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  Boeing 707-420 mit zusätzlicher ventraler Heckflosse
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  Doppelleitwerksanordnung der Grumman F-14 Tomcat

Der obere Teil des Seitenleitwerks der North American A-5 Vigilante klappt aufgrund der Höhenbeschränkung des Hangardecks zur Seite.

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  Nordamerikanische A-5 Vigilante , eine mit eingeklapptem Seitenleitwerk.

Ähnliche Vorrichtungen wie Seitenleitwerke wurden bereits bei Fahrzeugen wie dem Jaguar D-Type von 1955 oder dem Lamborghini Veneno von 2013 eingesetzt . Bei Rennwagen dient ihr Hauptzweck dazu, plötzliche, durch Gierbewegungen bei hohen Geschwindigkeiten verursachte Überschläge zu reduzieren, die bei extremen Gierwinkeln in Kurven oder im Dreher zum Überschlagen führen könnten . Seit 2011 ist der Seitenleitwerkskörper für alle neu homologierten Le-Mans-Prototypen vorgeschrieben . ^{[ 30 ]}

Einige Formel-1- Teams nutzten einen vertikalen Stabilisator, um den Luftstrom zum Heckflügel zu stören und so den Luftwiderstand zu verringern. Das radikalste System war der „F-Kanal“, der 2010 im McLaren MP4-25 und Ferrari F10 zum Einsatz kam . Auf Wunsch des Fahrers leitete dieses System Luft aus einem Kanal an der Fahrzeugfront durch einen Tunnel in der vertikalen Finne auf den Heckflügel, um diesen abzubremsen und den Luftwiderstand auf Geraden zu reduzieren, auf denen kein Abtrieb benötigt wurde. Das System wurde für die Formel-1-Saison 2011 verboten .

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  Ferrari F10 mit vertikaler Finne zwischen Lufteinlass und Flügel

• Japan-Air-Lines-Flug 123 , der nach dem nahezu vollständigen Verlust seines Seitenleitwerks abstürzte
• American-Airlines-Flug 587 , dessen Seitenleitwerk nach starker Beanspruchung durch Wirbelschleppen abgerissen wurde
• Probleme mit dem Seitenruder der Boeing 737 – Eine Reihe von Unfällen und Zwischenfällen, bei denen das Seitenruder der Boeing 737 blockierte und zu unkontrollierten Rollbewegungen des Flugzeugs führte.