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Trimmung

Diese Story stammt im Original von Brett Buck, einem amerikanischen Spitzenpiloten. Sie liegt in Englisch auf der PAMPA-Website  (www.control-line.org). Die Übersetzung gestaltete sich etwas schwierig, denn:

Teilweise werden im Englischen Wörter benutzt, die bei uns ungebräuchlich oder gar unübersetzbar sind. Es mussten also Begriffe verwendet werden, die zwar technisch richtig, aber in unseren Kreisen weitgehend unbekannt  sind. Manchmal mussten zum besseren Verständnis auch eigene Formulierungen eingesetzt werden. Und schließlich: die deutsche Sprache ist zwar präziser, aber oft auch umständlicher als US-Englisch (da wirkt’s dann manchmal etwas trockener als Brett’s  Slang). Trotz allem ein interessanter Artikel  -  es lohnt sich zu lesen!

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TRIMMUNG
Abgesehen von der Qualität des Motorlaufs ist das Trimmen mit Abstand der wichtigste Faktor, welcher ein gut fliegendes Modell ausmacht. Um es voll austrimmen zu können, werden in einem modernen Flugzeug heutzutage mehr und mehr einstellbare Trimmvorrichtungen verwendet. Jeder weiß, welche Art Vorrichtungen einzubauen sich lohnt, doch oft erhebt sich die Frage, was sie bewirken.

Es soll nicht versucht werden, das Trimmen eines Kunstflugzeugs hier erschöpfend zu beschreiben (das Thema könnte leicht den Umfang der Encyclopedia  Britannica erreichen). Aber es ist mindestens wert zu wissen, welchen nominellen Effekt jede Trimm-Einstellung hat. Ich sage „nominell“. Denn eine der wichtigsten Faktoren, die es über das Trimmen - ja sogar über das Entwerfen von Flugzeugen - zu lernen gibt, ist die Tatsache, dass eine Änderung auf einem Gebiet fast immer einen Effekt auf alle andere Gebiete hat. Weiter unten werden einige Beispiele angeführt, aber das ist lediglich die Spitze eines riesigen Eisberges; und die Beschreibungen, wenn auch hoffentlich hilfreich, sind eine starke Vereinfachung.

Ich habe die Trimm-Hilfsmittel unterteilt in jene, die hauptsächlich die Längs- und die Hochachse, und jene, die die  Querachse betreffen. Für die, die Aerodynamik nicht schon seit ihren vorgeburtlichen Tagen studiert haben, mögen einige Begriffe unbekannt oder mindestens schwer erklärlich erscheinen. Ich will es jedoch mal versuchen.

Die Bewegungen um die Querachse des Flugzeugs (auch Nick-Achse genannt) sind die, die wir steuern - Nase nach oben und nach unten. „Rollen“ nennt man die Rotation um die Längsachse. „Gieren“ ist das Drehen um die Hochachse. Nicht zu verwechseln mit „Schieben“; das ist keine Drehung, sondern eine geradlinige Bewegung, bei der die Längsachse nicht parallel zur Flugrichtung liegt.

Zu beachten ist, dass alle Richtungs-Angaben (rechts, links, nach oben, nach unten) sich auf die Sicht des Piloten beziehen! - NICHT, und das ist wichtig, bezogen auf den Boden; es sei denn, das Flugzeug befindet sich gerade im horizontalen Normalflug.  Es ist wichtig, dies zu bedenken, und ich habe viele viele Situationen erlebt, wo Begriffe verwechselt wurden.

Da außerdem viel über Winkel gesprochen wird, erhebt sich die Frage „Winkel bezogen auf was“.  Dies ist eine interessante Frage; es würde einige Zeit dauern, sie zu überdenken und zu erklären. Für diese Ausführungen wollen wir mal festlegen, dass sich „Rollen“ und „Gieren“ auf eine Linie bezieht, die vom Flugzeug zum Piloten läuft. So, da sind wir nun und fliegen fröhlich die verschiedenen Manöver.  In jedem Moment  können wir uns eine Linie von unserer Hand bis zum Schwerpunkt des Flugzeugs vorstellen. Im Horizontalflug würde sie parallel zum Boden liegen. Im Schnittpunkt der Überkopf-Acht stünde sie senkrecht zum Boden. Der Roll-Winkel ist der Winkel zwischen dieser Linie und der Querachse ; und der Gier-Winkel (richtiger ist es der Schiebe-Winkel) ist der Winkel zwischen dem geflogenen Kurs des Flugzeugs und der Längsachse des Flugzeugs. Als Nick-Winkel (= Anstellwinkel) wollen wir den Winkel zwischen Flugzeug-Längsachse und derzeitiger Flugrichtung annehmen. Diese beiden sind nämlich nicht gleich! Die Nase kann ein wenig nach oben oder unten gedreht sein, weg von der Richtung, in die wir fliegen. Dies ist nun keine völlig zufrieden stellende Definition, aber wir wollen es mal dabei belassen.

Ich möchte auch betonen, dass praktisch keine der in diesem Artikel gegebenen Informationen von mir erfunden, entdeckt, oder erklärt worden sind. Es ist eine Ansammlung von Wissen anderer, und ich weiß nicht einmal, wo ich zum ersten Mal davon gehört habe. Deshalb kann ich auch keine exakten Quellen angeben, wofür ich mich gleich entschuldige. Ich kann nichts davon für mich beanspruchen.

Nachdem Vorwort und Vorbehalt nun erledigt sind, geht’s weiter mit den Trimm-Einstellungen.

Roll- und Schiebe-Einstellungen
Trim-Gewicht am Flügelende: wirkt hauptsächlich um die Längsachse. Mehr Gewicht als notwendig rollt das Flugzeug von uns weg, nach rechts. Der Auftriebs-Vektor (das heißt die Zugrichtung des Auftriebs) verschiebt sich  weg von uns und schenkt uns dadurch mehr Leinen-Zug. Haben wir zuviel Gewicht, dann zieht das Flugzeug stärker. Aber der Leinenzug variiert auch und das Flugzeug macht schwankende Rollbewegungen. Bei der richtigen Einstellung ist der Rollwinkel in den Figuren nahezu Null.
Seitenruder-Ausschlag (fest oder einstellbar): beeinflusst hauptsächlich den Schiebe-Winkel. Jedoch hängt  Rollen und Schieben sehr eng miteinander zusammen. Wir stellen einen optimalen Schiebe-Winkel ein bzw. den Winkel, mit dem das Flugzeug im normalen Horizonalflug fliegt. Nach meiner Meinung ist unser Ziel, den optimalen Schiebewinkel auf Null zu bekommen. Was dann bedeutet, dass die Längsachse des Rumpfes eine Tangente zur Kreisbahn bildet.
Seitenruder-Ausschlag (im Flug variabel = Rabe Rudder): eine (vertikale) Richtungsänderung (also nach oben oder unten) mit einem großen Propeller drauf, der ordentlich dreht, wird versuchen, das Flugzeug  (die Flugzeugnase) in Innenfiguren nach „Außen“ zu drehen, und in Außenfiguren nach „Innen“ (herein!).  Dies kann mit einem festen/einstellbaren Seitenruder nicht vollständig kompensiert  werden. Deshalb hat Al Rabe sich ausgedacht, das Seitenruder über das Höhenruder anzusteuern. Somit bewegt es sich und gibt mehr „Links“ in Innenfiguren und mehr „Rechts“ in Außenfiguren. Normalerweise muss es asymmetrisch sein und weiter nach rechts als nach links ausschlagen (aus Gründen, die nicht immer offensichtlich sind).
Die Absicht ist ganz ausdrücklich NICHT, das Flugzeug nach außen oder innen zu steuern.  Sondern es soll VERHINDERT werden, dass es nach außen oder innen fliegen will, indem wir kompensierende Maßnahmen ergreifen, um den Kreiselkräften des drehenden Propellers  entgegen zu wirken (das sind jene Kräfte, die diese ungeliebten Seitwärts-Bewegungen hervorrufen).
Wird das Rabe-Rudder richtig eingestellt, dann kompensiert es die Präzessions-Kräfte recht gut.  Bei Al hat es funktioniert. Das Problem ist: wenn man nicht gerade ein Experte im Trimmen ist, wird man es wohl nicht korrekt einstellen. Und da es ein sehr wirkungsvolles Trimm-Mittel ist, ist die Wirkung fast immer zu stark und bereitet mehr Probleme, als es welche lösen hilft (kommt auch bei manchen Experten vor).
Flaps verbiegen: wirkt hauptsächlich um die Längsachse. Man biegt das Flaphorn auf eine festgelegte „Querruder-Wirkung“, um den Rollwinkel sowohl für positive als auch negative Beschleunigungen identisch zu halten (das Flugzeug soll in Innen- wie Außenfiguren die gleiche Fluglage haben).
Lage der Leinen-Führung: beeinflusst den Schiebewinkel, kann aber nicht getrennt werden von der Seitenruder-Einstellung. Ich wähle die Position der Leinenführung so, dass sie am besten zum optimalen Schiebewinkel passt. Zu weit hinten, und wir haben jede Menge Leinenzug im Horizontalflug, verlieren ihn aber über Kopf.  Zu weit vorn, und das Flugzeug kommt bei jeder Steuerbewegung herein und verliert Leinenzug. Die Position der Leinenführung hängt zusammen mit dem Schwerpunkt. Für meine Zwecke kann sie mit dem Computer-Programm „LINEII“ (Download  von Pete Soule’s Website) berechnet werden. Solchermaßen errechnet passt sie ideal zum „Null Grad Schiebewinkel“.
Manche benützen die Lage der Leinenführung, um „ gegensätzlich wirkende Kräfte“ aufzubauen. Sie fliegen mit einem ziemlich großen optimalen Schiebewinkel. Dann kurieren sie die unangenehmen Nebeneffekte über Kopf, indem sie mit einer vorn liegenden Leinenführung das Flugzeug „hereinzwingen“. Das führt aber zu Schieben, Rollen, und  (weil Schieben und Rollen den Leinenzug ändert) zu Nickbewegungen
Verschieden große Flap-Flächen:  diese „Einstellung“ wirkt um die Längsachse. Man macht das, weil man einen interessanten Effekt beobachtet hat - nämlich dass es manchmal scheint, dass man in einer scharfen Ecke weniger Außengewicht  benötigt als in einem runden Bogen, und weniger Gewicht in einem Bogen als im Horizontalflug (alles bei Null Grad Rollwinkel). Es wird behauptet, man kann dann mehr Außengewicht einbauen. Das ist teilweise richtig, solange man die Dinge nur aus einer Sicht sieht. Der tatsächliche Grund ist ein asymmetrischer aerodynamischer Effekt (auch bei gleich langen Flügel-Hälften), weil wir im Kreis fliegen, und weil deswegen die Strömungsgeschwindigkeit, und damit der Auftrieb, am äußeren Flügel höher ist.
Flügel-Asymmetrie: wirkt primär um die Längsachse. Ursprünglich betrachtete man das , als ob man quasi den Rumpf und den Motor als Außengewicht benützen würde; was auch wieder nur bedingt richtig ist. Tatsächlich versucht man dadurch, die laterale Position des Schwerpunktes mit der des Auftriebs-Mittelpunktes  in Übereinstimmung zu bringen. 12 bis 18 mm reichen, mehr führt zu weniger Außengewicht, verlangt aber eher eine noch unterschiedlichere Größe der Flap-Flächen. Deshalb versetzte jedermann den Flügel einfach außermittig - und beließ das Leitwerk  gerade in der Mitte.
Grenzschichtzäune/ Widerstands-Klappen/ Widerstands-Fahnen: andere Methoden um verschiedene Dinge zu tun. Sie haben sich auf Dauer nicht bewährt, waren manchmal hilfreich für spezielle Probleme. Ich denke, es lohnt sich nicht, sich damit zu befassen.

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Nick-Einstellung
Trimmgewicht/Schwerpunkt: hier wird der Schwerpunkt des Flugzeugs eingestellt, und damit erstens die Stabilität, und zweitens das Verhältnis Wendigkeit zu Auftrieb. Mit mehr Gewicht in der Nase benötigt das Flugzeug größere Höhen- Ruderausschläge d.h. höhere Ruderkräfte für die gleiche Richtungsänderung und fliegt deshalb „stabiler“. Mehr Stabilität heißt auch: höhere Tendenz, bei Wind die Eckradien zu vergrößern. Je weiter nach hinten der Schwerpunkt rückt, desto weniger Ruderausschlag braucht man für die gleiche Wendigkeit, und umso weniger stabil ist das Flugzeug.
Leinenabstand  am Griff: wird im Zusammenhang mit Schwerpunkt-Einstellung benutzt, um das vom Piloten gewünschte „Feed back“ zu erzeugen. Mehr Leinenabstand = mehr empfindlich, weniger Abstand = weniger empfindlich. Im allgemeinen legt man den Schwerpunkt dahin, wo ihn das Flugzeug haben will. Das heißt für gewöhnlich: so weit als möglich nach hinten bei noch leicht positiver Stabilität. Die maximal erlaubte Rückwärts-Position hängt ab vom Leitwerksvolumen-Koeffizienten (dazu später mehr).  Dann wird der Leinenabstand eingestellt auf die Steuerempfindlichkeit, die der Pilot wünscht.
Verhältnis von Flap- zu Höhenruderausschlag: steuert das Verhältnis von Wendigkeit zu Auftrieb, wovon die Qualität der Richtungsänderungen abhängt. In gewissem Sinne hängt das von der Flächenbelastung ab - ist das Flugzeug schwerer, benutzt man mehr Flap- Ausschlag als Höhenruder-Ausschlag; ist es leichter, gilt das Gegenteil. Das kann eine sehr feinfühlige Einstellarbeit erfordern, und für die meisten Piloten dürfte es wahrscheinlich ausreichen, das Verhältnis 1 : 1  einzustellen (oder was immer der Konstrukteur angibt).
Flap- und Höhenruder-Neutraleinstellung: damit kontrolliert man die Wendigkeit bei Innen- und Außenfiguren, oder die Stabilität bzw. das „Tracking“ (= Eigenschaft des Flugzeugs, einen einmal gefundenen Kurvenradius sauber zu halten). Die meisten Flugzeuge in konventioneller Auslegung brauchen bei Neutral-Flap etwas Tiefenruder, um am besten zu fliegen. Teilweise kommt dies von einer Asymmetrie in der Aerodynamik (Motorzugachse/ Flügel/ Leitwerk nicht auf einer Ebene, und/oder einer Widerstands-Asymmetrie). Meistens scheint es aber von einer Nick-Komponente der Kreiselwirkung herzurühren. Diese erzeugt ein ständiges (weil wir im Kreis fliegen) aufrichtendes (hoch) Moment, das wir mit Tiefenruder kompensieren. Man muss  diesen genauen Punkt für das „Tracking“ finden. Gewöhnlich wirkt JEDER Höhenruder-Ausschlag stark destabilisierend, während viel Tiefenruder-Ausschlag recht gut toleriert zu werden scheint.
Ein fest eingebauter positiver Einstellwinkel des Leitwerks ist nur eine andere Version der selben Maßnahme. Ich würde das nur dann empfehlen, wenn man festgestellt hat, dass eine bestimmte Konstruktion dies immer braucht. Es ist offensichtlich schwer einzustellen, so dass man es den Experten (Narren) wie mir überlassen sollte. Wer eine „Infinity“ bauen will: die braucht etwa ¼ Grad.
Motorsturz: wird für etwa den selben Zweck verwendet wie Flap/Höhenruder-Neutral, indem er die selben Asymmetrien kompensieren soll. Mehr Motorsturz legt die Motorzugachse höher und erzeugt dadurch ein Moment nach unten. Er ist leichter einzustellen als positive Leitwerks-Einstellung; vorausgesetzt man stört sich nicht am zerstörten Spinner-Übergang. Noch einmal: man macht das nur, wenn man wirklich weiß, dass es notwendig oder vorteilhaft ist.
Zum Thema dieser Nick-Asymmetrien: es wird allgemein geglaubt, dass  „weil das Flugzeug sowohl im Normalflug als auch im Rückenflug gleich fliegen muss, müsse auch alles 0 – 0 sein“.  Das ist insofern richtig, als es im Normal- und im Rückenflug gleich fliegen muss. Aber unsere Flugzeuge sind keineswegs symmetrisch um die Nickachse, auch wenn Flügel und Leitwerk genau in einer Ebene liegen. Da ist nichts magisches an 0-0-0 (Flügel/Leitwerk/Motor); tatsächlich ist das eine zu starke Vereinfachung. Die kurzsichtige Annahme:  „wenn Du alles auf 0-0 gelegt hast und es fliegt nicht perfekt, dann muss es verstellt sein“ ist falsch.
Ich denke dies beschreibt mehr oder weniger die meisten Trimm-Einstellungen.

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Grundlegender ( vereinfachter ) Trimm-Prozess
Dies ist eine stark vereinfachte Sequenz. Aber wenn man es korrekt durchführt, kommt man der optimalen Trimmung sehr nahe (vorausgesetzt, das Flugzeug hat keine ernsthaften Bauungenauigkeiten zwischen Leitwerk und Flügel).
Schwerpunkt Einstellen: die zunächst gewünschte Lage des Schwerpunktes ist abhängig vom Leitwerks-Volumen. Es ist eine etwas anfechtbare Strategie, aber Ted Fancher kennt eine Regel, die trotz ihrer Einfachheit funktioniert (vorausgesetzt man hat ein relativ konventionelles Flugzeug). Man errechnet das Verhältnis von Leitwerksfläche zu Flügelfläche (natürlich einschließlich Flaps und Höhenruder). Da sollte etwas so um 0,18 bis 0,26 herauskommen (also 18 bis 26 %). Dann legt man den Schwerpunkt  auf diesen Prozentwert  bei der mittleren Flügeltiefe. Ein Beispiel: man hat 25 % Leitwerksfläche und 28 cm mittlere Flächentiefe. Dann sollte der Schwerpunkt 7 cm hinter der Nasenleiste liegen, an der Stelle der mittleren Tiefe (NICHT an der Flügelwurzel!). Das ist die HINTERSTE Position. Sollte man das nicht ganz hinbekommen, sollte der Schwerpunkt eher weiter vorne liegen.
Die mittlere Flächentiefe ist diejenige Linie, welche eine Teilfläche (innere oder äußere, rechtwinklig zur Flugrichtung und inklusive Flaps) in zwei gleiche Hälften teilt. Faustformel: Spannweite geteilt durch 4 und davon 6 % abziehen. Ergibt den Abstand der mittleren Flächentiefe von der Rumpfachse  (Spannweite/ 4 X 0,94)
Wichtig: den Schwerpunkt NICHT AN DER FALSCHEN STELLE LASSEN , NUR UM GEWICHT ZU SPAREN! Wenn man 70 Gramm Gewicht in der Nase braucht, dann ist das halt so. Man kann nicht Gewicht sparen, indem man die Trimmung vernachlässigt.  Zwar kann man das, aber man wird auf vielen Wettbewerben schlecht abschneiden. Das selbe gilt für das Außengewicht. Trimmung ist wichtiger als Gewicht, Punkt! Das ist so wichtig , dass ich es wiederhole: Trimmung ist wichtiger als Gewicht!
Leinenführung: (wer LINEII benutzt, kann damit die Werte ermitteln). Bei einem typischen 40er bis 60er Flugzeug  mit 1800 Gramm  an 018er Leinen  (0,45 mm) kommen etwa 20 mm heraus.  Also legt man die Mittellinie der Leinenführung 20 mm hinter den Schwerpunkt - NICHT hinter die Drehachse des Steuersegments.
Wenn der Konstrukteur des Flugzeugs nichts anderes angibt, stellt man den Flapausschlag zu Höhenruderausschlag 1:1 ein, die Trimmung auf 0-0, oder ein ganz klein wenig Tiefenruder (etwa 1,5 mm) bei Flap Neutral; kein Motorsturz.
Jetzt fliegt man das Flugzeug in Normal- und Rückenflug. Wenn der Außenflügel beide Male hoch liegt, fügt man Außengewicht hinzu, bis er eben liegt. Liegt der Außenflügel einmal hoch und einmal tief, verbiegt man die Flaps, bis Normal- und Rückenflug gleich sind. Dann beobachtet man die scharfen Ecken. Wenn das Flugzeug dann vom Piloten wegrollt, kann man Gewicht rausnehmen. Wenn es nicht wegrollt, fügt man immer ein wenig Gewicht hinzu, bis es das erkennbar macht. Dann nimmt man das letzte bisschen wieder heraus. Wenn das Flugzeug im Horizontalflug stark zieht, über Kopf aber bedenklich nachlässt oder im ersten Looping des Kleeblatts an Zug verliert, legt man die Leinenführung etwas nach vorn  (jeweils um etwa 1,5 mm). Wenn es plötzlich Zug verliert, typischerweise in Innen-Figuren, muss die Leinenführung nach hinten, bis das aufhört.
Damit sollte man schon gut hinkommen. Wenn man ein abnormal leichtes Flugzeug hat, sollte man darauf achten, ob es dazu tendiert, in die Ecken „hinein zu fallen“ (das sieht aus, als ob es sich um einen Punkt hinter dem Flugzeug dreht). Wenn ja, erhöht man den Ruderausschlag relativ zum Flapausschlag  EIN KLEIN WENIG. Hat man dagegen ein abnormal schweres Flugzeug, könnte ein vergrößerter Flapausschlag, relativ zum Ruderausschlag, helfen.
Den Leinenabstand am Griff stellt man ein, dass man ein ausreichendes Feedback vom Flugzeug spürt. Eine extrem starke Reaktion des Flugzeugs ist unerwünscht.
Wenn man soweit ist, sollte man darauf achten, ob das Flugzeug um die Ecken „springt“, ob es höher als erwartet aus den runden Loopings kommt, oder ob es auf einmal ganz leicht um Quadratecken geht. Wenn das passiert, legt man den Schwerpunkt immer etwas weiter nach vorn, bis es aufhört. Dann stellt man den Leinenabstand am Griff neu ein, um wieder die richtige Wendigkeit zu erhalten. Wenn sich das Flugzeug träge anfühlt und aus runden Loopings tiefer als erwartet herauskommt, muss der Schwerpunkt zurück, bis das aufhört.
Eine andere Art, den Schwerpunkt zu trimmen, ist: man achtet darauf, was das Flugzeug bei Abstellen des Motors macht. Wenn es dann steigt oder sehr „weich“ im Gleitflug wird, ist der Schwerpunkt wahrscheinlich viel zu weit hinten. Wenn es nach Motorstop fällt und im Gleitflug leicht zu schleudern ist, ist der Schwerpunkt wahrscheinlich zu weit vorn.
Nun, das ist etwa so weit wie wir im hypothetischen gehen können. Aber das wird schon recht nah am Optimum sein, wenn alles schön gerade ist bei vernünftigem Gewicht und Motorleistung.

Claus Maikis

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