Trudeln

Der Kampf gegen das Trudeln

In der internationalen Literatur wurden Angaben über Flugzeugverluste in den USA veröffentlicht, die auf das Überschreiten des kritischen Anstellwinkels zurückzuführen sind. Im Zeitraum von 1966 bis 1969 gingen auf Grund des Abkippens und des Trudelns 455 Flugzeuge verloren, wobei die Flugzeugführer umkamen.
Offensichtlich waren die Konstrukteure veranlasst, im Zuge des Wettrüstens die Geschwindigkeit und Steigfähigkeit derart zu erhöhen, dass das Problem des Trudelns sträflich vernachlässigt wurde. Die Erfahrungen aus den Kriegen in Korea und Vietnam zeigten erneut, dass die Manövrierfähigkeit zur Erringung der Luftherrschaft in „gewöhnlichen“ Kriegen eine erstrangige Bedeutung hat.

Der Luftkampf kann durchaus bei Überschallgeschwindigkeit beginnen. In der Regel geht er aber sehr schnell in den Unterschallgeschwindigkeitsbereich über und wird an den oberen Grenzen der Manövrierfähigkeit des Flugzeuges durchgeführt. Die Überschreitung der vorgeschriebenen Begrenzungen führt zum Höhenverlust oder schnellen Geschwindigkeitsverlust und Strömungsabriß, womit die Bedingungen für das Entstehen des Trudelns entstehen.

Diese Umstände erforderten eine stärkere Konzentration des Forschungspotentials auf die Verhinderung des Trudelns und auf Methoden zum Ausleiten des Trudelns. Das Endziel besteht darin, solche Kampfflugzeuge zu entwickeln, die praktisch ohne Begrenzungen manövrieren können. An Flugzeugen mit geraden Tragflügeln begann der Strömungsabriß praktisch unmittelbar bei Erreichen des maximalen Auftriebsbeiwertes. Beim Pfeilflügel treten diese Erscheinungen beim Flug mit Unterschallgeschwindigkeit schon bei wesentlich kleineren Anstellwinkeln auf. Der maximal zulässige Anstellwinkel wird durch das Auftreten intensiven Schüttelns, durch Verschlechterung der Stabilität und Steuerbarkeit, durch Abkippen über den Flügel, durch Auftreten von Seitenschwingungen und andere Faktoren begrenzt. Das Abkippen ist mit dem teilweisen oder vollständigen Verlust der Steuerbarkeit verbunden und kann in unkontrolliertes Drehen, in eine Steilspirale oder in das Trudeln übergehen. Unter Drehung nach dem Abkippen versteht man eine ungesteuerte Bewegung des Flugzeuges um eine oder mehrere Achsen.

Bild 1.12 Abhängigkeit des Auftriebsbeiwertes vom Anstellwinkel und der Druckverteilung bei unter­kritischem und überkritischem Anstellwinkel

Das steile Abkippen ist ein ungesteuerter Flugzustand bei Anstellwinkeln größer dem Abkippanstellwinkel und kleinen Geschwindigkeiten. Das Trudeln ist eine Bewegung, die durch ungleichförmige Drehungen des Flugzeuges auf einer Spirale kleinen Radiuses mit überkritischem Anstellwinkel charakterisiert ist. Meist treten zusätzlich Längs-, Schräglage- und Seitenschwingungen auf. Beim Trudeln dreht sich das Flugzeug um einige Achsen, Trudelachsen genannt, und nähert sich sehr schnell der Erde. Man kann mehrere Phasen unterscheiden. In der ersten Phase der Trudelentwicklung ist es noch nicht möglich, die Art des Trudelns zu erkennen, weil die aerodynamischen und Trägheitskräfte Bild 1.12 Abhängigkeit des Auftriebsbeiwertes vom Anstellwinkel und der Druckverteilung bei unterkritischem und überkritischem Anstellwinkel noch nicht ausgeglichen sind. In der Phase des entwickelten Trudelns ist die Form des Trudelns erkennbar, und beim gleichförmigen Trudeln ist eine hohe Sinkgeschwindigkeit und eine relative Gleichmäßigkeit der Bewegung von Windung zu Windung typisch. Die Strömungsverhältnisse am Flügel beim Trudeln führen zur sogenannten Autorotation. Bei kleineren Anstellwinkeln (Bild l .12a) entstehen an der sich nach unten drehenden Tragflügelhälfte große Anstellwinkel und große Auftriebsbeiwerte. An der nach oben gehenden umgekehrt. Das führt zu einem Roll-Dämpfungsmoment. Bei überkritischen Anstellwinkeln verzeichnen wir am sich nach unten drehenden Flügelteil einen großen Auftriebsabfall, während der Auftrieb sich am nach oben drehenden Flügel vergrößert. Dadurch entsteht ein Drehmoment, welches bestrebt ist, die Schräglage (oder die Winkelgeschwindigkeit) zu vergrößern. Der Rumpf und das Leitwerk bilden bei der Drehung gewöhnlich Dämpfungsmomente. Wenn das Dreh- und Dämpfungsmoment gleich groß ist, erfolgt die Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Das ist jedoch höchst selten der Fall.
Die Größe der Dämpfungsmomente, die vom Rumpf und dem Seitenleitwerk geschaffen werden, hängen von ihrer Größe und Form ab. Sehr gute Dämpfungseigenschaften hat ein separates Seitenleitwerk (d. h., es ist kein Höhenleitwerk angebaut), welches so angebracht ist, dass es nicht in die Wirbelschleppe des Flügels gerät. Gute Dämpfungseigenschaften hat ein Rumpf auch dann, wenn seine vertikale Querschnittfläche verbreitert und unten abgerundet ist. Scharfe Kanten am Rumpfunterteil rufen Strömungsablösungen hervor, wodurch die Dämpfung verringert oder sogar ein entgegengesetzt drehendes Moment entstehen kann. Bei Anbringung von Ansätzen oder Flächen am vorderen oberen Teil des Rumpfes erhöht sich die Dämpfung, bei tiefer Lage unten wird sie verringert.

Bei der Schaffung eines „trudelsicheren“ Flugzeuges ist vor allem für eine gute statische und dynamische Längsstabilität und für gute Dämpfung um alle drei Achsen zu sorgen. In erster Linie erreicht man das durch die Verbesserung der Tragfähigkeit des Flügels (Auftriebs- und Momentbeiwertverhalten) bei großen Anstellwinkeln.

Flachtrudeln

Dazu ist es wünschenswert, dass der Querschnitt des Rumpfbugs abgeplattet wird oder an ihm abgerundete Ansätze angebracht werden. Damit werden die sich bei großen Anstellwinkeln bildenden Wirbel geglättet, destabilisierende Momente verhindert oder sogar stabilisierende Momente erzeugt. Bei Drehungen um die Hochachse kann das jedoch auch zur Entstehung von Seitenkräften und Beschleunigungsmomenten führen, wodurch sich eine Tendenz zum nicht weniger gefährlichen Flachtrudeln entwickelt. Zur Dämpfung der Drehbewegung um die Längsachse trägt vor allem eine gute Flügelumströmung und Unterbindung des Strömungsabrisses bei. In gleicher Weise wirken große Seitenleitwerke oder zwei Seitenleitwerke an einem breiten Rumpfheck sowie der Einsatz von Flugzeugsteuersystemen zur Verbesserung der Dämpfung und Quer- und Richtungsstabilität. All diese Maßnahmen können jedoch das Abkippen nur hinauszögern, verhindert wird das Trudeln bei Überschreitung des zulässigen Anstellwinkels damit nicht.

Den Flugzeugführer kann man durch optische und akustische Signale, durch Schütteln der Steuerorgane u.ä. bei Annäherung an einen gefährlichen Flugzustand warnen. Keine dieser Maßnahmen gewährleistet aber die volle Sicherheit gegenüber dem Trudeln, insbesondere nicht unter den Bedingungen des Luftkampfes. Wirksam lässt sich das Trudeln durch künstliche Begrenzung des Anstellwinkels erreichen, indem man die an den Steuerknüppel anzulegende Kraft allmählich erhöht. Herkömmliche Flugzeugsteuerungen können dazu mit Mechanismen ergänzt werden. Bei elektrischen Steuersystemen ist das technisch noch einfacher.

Forschungen zum Fliegen mit großen Anstellwinkeln und zum Trudeln sind für die Wissenschaftler und Konstrukteure stets von großem Interesse. Zum Beispiel wurde in den USA ein Forschungsprogramm realisiert, das auf die Erweiterung des Bereichs der Flugzustände für die Flugzeuge F-14, A-7 und F-15 gerichtet war. Ziel des Programms mit dem bordgestützten Jagdflugzeug F-14 war es, die Anstellwinkelbegrenzungen möglichst aufzuheben, um die Manövrierfähigkeit im Luftkampf entscheidend zu verbessern. Eine weitere Aufgabe war die Gewinnung von Informationen für den Flugzeugführer über die Arten des Trudelns und die Ausarbeitung von Hinweisen für das Ausleiten des Trudelns. Ausgangspunkte waren: Das Trudeln ist kein Betriebsflugzustand, es entsteht unabsichtlich und unerwartet bei schwierigen oder für den Flugzeugführer unklaren Fluglagen;
die Wahrscheinlichkeit des Verlustes der Besatzung und des Flugzeuges ist dabei groß, insbesondere dann, wenn Trudeln beim Luftkampf oder bei einer beliebigen Lage in geringen Höhen entsteht;
die Gefechtswirksamkeit des Flugzeuges hängt wesentlich vom Verhalten beim Flug in Grenzflugzuständen ab, hingegen nicht von den Methoden des Ausleitens aus dem entwickelten Trudeln.

Untersuchungen in einem Strömungskanal mit einem freifliegenden Modell der F-14 ergaben, dass bei allen Pfeilstellungen nur ein Typ des Trudelns, das schnelle Flachtrudeln, entsteht und nicht ausgeleitet werden kann. Zur Kontrolle der im Strömungskanal ermittelten Resultate wurden Flüge mit ferngesteuerten Modellen gemacht. Die Untersuchungen zeigten, dass das Flugzeug flachtrudeln kann, obwohl die Drehgeschwindigkeit des Flugzeuges etwa zweimal kleiner als bei den Untersuchungen im Strömungskanal war. Daraus wurde die Schlussfolgerung gezogen, dass das zur analytischen Erforschung aufgestellte mathematische Modell ungenau war und keine Aussagen über den Charakter des entwickelten Trudelns bringt. Im weiteren baute man Flügelklappen und am Rumpfvorderteil ausfahrbare horizontale Steuerflächen an. Die Forschungen zeigten, dass der Ausschlag der Vorflügel um 8,5° im Zusammenwirken mit den Flügelklappen und den horizontalen Steuerflächen eine wesentlich höhere Gefechtswirksamkeit des Flugzeuges F-14 ergibt. Sie entsteht vor allem durch die Verbesserung der Kennwerte der forcierten und gleichförmigen Manöver, der Charakteristik der Steuertechnik und des Prozesses der Zielannäherung.

Es wurden auch Anlagen zur Verhütung des Abkippens und des Trudelns untersucht. Vom Standpunkt der Gewährleistung einer taktischen Überlegenheit und einer hohen Flugsicherheit beim Flug mit hohen Anstellwinkeln wird als bestes ein Steuersystem angesehen, das eine Kreuzverbindung zwischen der Quer-und Richtungssteuerung aufweist. Da es aber beim Flugzeug ohne Vorflügel beim Abkippen zu schnellen Drehungen um die Längsachse kommen kann, wurden zur weiteren Erhöhung der Gefechtswirksamkeit die Arbeiten auf die gemeinsame Anwendung von Systemen mit Kreuzverbindungen und Flügelauftriebshilfen erweitert. Aus den genannten Untersuchungen konnte die Schlussfolgerung abgeleitet werden, dass die Gefechtsmöglichkeiten hauptsächlich durch die Flächenbelastung, das Schubvermögen, die aerodynamische Qualität und den maximalen Auftriebsbeiwert beeinflusst werden.

Die optimale Wahl dieser Parameter ist schon seit längerem Gegenstand zahlreicher Forschungen. Man berücksichtigt dabei die Meinung der Flugzeugführer, dass beim Luftkampf die Möglichkeiten zur schnellen Änderung des Lastvielfachen und zum schnellen Abbremsen viel wesentlicher sind als Manöver mit großen, lang andauernden gleichförmigen Lastvielfachen. Der Vorteil des Flugzeuges mit hohem Schubvermögen besteht außerdem darin, dass der Flugzeugführer über eine große Zahl frei wählbarer Varianten zur Eröffnung des Luftkampfes verfügt.
Wenn jedoch große Anstellwinkel verboten sind, ist eine eindeutige Voraussage über den Ausgang des Luftkampfes nicht möglich. Aus der Presse ist zu entnehmen, dass man die Flugerprobungen mit dem Jagdflugzeug F-14 im Bereich kritischer Flugzustände fortsetzt, um die berechneten Flugparameter bei großen Anstellwinkeln zu bestätigen und die Dynamik des Systems der Verbindung zwischen Quer- und Seitenrudern zu verbessern.
Es werden auch Flugerprobungen bei Flugzeugen mit horizontalen Bugsteuerflächen und modifizierten Leitwerken durchgeführt.

Um das Verhalten des Jagdflugzeuges F-15 beim Abkippen, Trudeln und Ausleiten zu analysieren, wurde im Flugerprobungszentrum der USA eine Methode zur Erforschung kritischer Flugzustände mit Hilfe eines ferngesteuerten Modells erarbeitet. Das Modell wurde mit und ohne automatisches Steuersystem getestet. Eine Hauptaufgabe war die Untersuchung eines Systems zum automatischen Ausleiten des Trudelns.

Beim Trudeln kommt es leicht zur Desorientierung des Flugzeugführers. Der Ausschlag der Steuerorgane, insbesondere die genaue Reihenfolge zum Ausleiten des Trudelns ist schwierig. Das führt sehr oft zu einem großen Höhenverlust. Deshalb ist ein System wünschenswert, das die Ruder automatisch und in der richtigen Reihenfolge ausschlägt. Für das ferngesteuerte Modell wurde ein System eingesetzt, das auf der Grundlage der automatischen Flugzeugsteuerung arbeitete und tatsächlich zuverlässig das Ausleiten aus allen Arten des Trudelns gewährleistete. Dieses System kann auch zur Verhinderung eines Trudelns eingesetzt werden.

Die Grundvariante des Systems sah das Ausleiten aus dem normalen Trudeln vor, jedoch ist es auch zum Ausleiten des Rückentrudeins und einer Reihe ungesteuerter Flugzustände anwendbar. Das System kann die Ruderflächen bis zum Maximum ausschlagen und ordnet sich automatisch der Handsteuerung über, wenn ein während der Modellierung festgelegter Parameter überschritten wird. Das System verfügt über zwei Betriebsarten. Eine gewährleistet das Ausleiten aus dem Trudeln, die zweite die Stabilisierung der Flugparameter bis zu dem Punkt, an dem der Flugzeugführer die Steuerung übernehmen kann. Ist das System eingeschaltet, so beginnt es die Ruder zu betätigen, wenn ein bestimmter Schwellwert der Winkelgeschwindigkeit und des Anstellwinkels erreicht bzw. überschritten wird. Bei ausgeschaltetem System erfolgt die Steuerung nur durch den Flugzeugführer. Zusätzlich verfügt der Flugzeugführer in der Kabine über eine Lichtsignalanlage, die ihm den Betriebszustand des Systems anzeigt.
Im Ergebnis der Erprobung konnte festgestellt werden, dass die Zeit zum Ausleiten des Trudelns von den Anfangsbedingungen (Drehgeschwindigkeit des Flugzeuges beim Trudeln, Schwingungsniveau) und von der Wirksamkeit der Steuerflächen abhängt.

Die Untersuchung mit einem ferngesteuerten Modell ermöglichte es sehr schnell (im Verlauf einer Woche), das System zum automatischen Ausleiten des Trudelns der F-15 einzuschätzen.

In Anbetracht der großen Bedeutung des Trudelproblems führten Spezialisten der USA Ende der 70er Jahre Trudeluntersuchungen an Jagdflugzeugen durch, die mit Trudelschirmen und für den eventuellen Ausfall beider Triebwerke mit zusätzlichen Elektroversorgungssystemen ausgerüstet waren. Das Trudeln wurde in einer Flughöhe von 10.700m eingeleitet. War die ungesteuerte Bewegung des Flugzeuges in 7600m noch nicht beendet, sollten Gegentrudelschirme ausgefahren werden. Die Abrissbedingungen wurden durch normale Kommandos vom Flugzeugführer, aber auch den kritischen Flugzeugzustand „verschärfende“ Ausschläge der Ruder herbeigeführt. Unter den „verschärfenden“ Handlungen versteht man beliebige Kommandos des Flugzeugführers, die bei überkritischen Flugzuständen Schwingungsbewegungen hervorrufen oder diese zur Fortsetzung anregen.

Nach 107 Flügen stand fest, dass beide Flugzeuge allen Forderungen und Normen der USA-LSK hinsichtlich Trudeln entsprechen. Ungeachtet dessen wurde geplant, die Tendenz zum Abkippen und zum Trudeln bis zu Anstellwinkeln von 45° (das sind 15° über dem kritischen Anstellwinkel) weiter zu senken. Die Untersuchungen der Modelle dieser Flugzeuge ergaben bei Anstellwinkeln über 35° bedeutende destabilisierende Richtungsmomente infolge asymmetrischer Wirbel am Rumpfbug. Zur Beseitigung der asymmetrischen Wirbel wurden seitliche Anbauten am Rumpfbug vorgeschlagen. Im weiteren Verlauf der Forschungen wurden Flugzeuge mit modifizierten Bugnasen und vorgezogenen Flügelwurzeln eingesetzt. Die Forschungen zeigten, dass bei den Flugzeugen F-5E und F-20 beim Manöverluftkampf keine Begrenzungen erforderlich waren. Interessant ist, dass die vorgezogenen Flügelwurzeln am Rumpfvorderteil die Widerstandsfähigkeit des Flugzeuges gegenüber dem Abkippen bzw. dem Trudeln wesentlich erhöhen.

Die Flugzeugführer sind nicht in der Lage, das Flugzeug zum Trudeln zu bringen.

Daraus kann man die Schlussfolgerung ziehen, dass Fragen der Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Abkippen und Trudeln nicht nur bei der Entwicklung neuer Flugzeuge von großer Bedeutung sind, sondern auch im Prozess der Vervollkommnung der schon seit längerem eingesetzten Flugzeuge. Ein Verfahren zur Erforschung des Schüttelns und der kritischen Flugzustände infolge Strömungsabriß ist die Flugerprobung. Sie ermöglicht eine genaue Analyse und Kontrolle der angewendeten Berechnungen und Experimente und den Vergleich zwischen beabsichtigtem und tatsächlichem Verhalten des Flugzeuges.