Stabilität: Warum richtet sich ein Flugzeug von selbst wieder auf?

Ein gut eingestelltes Trainermodell kehrt nach einer Windböe von selbst in den Geradeausflug zurück, auch wenn der Pilot nichts tut. Ein Kunstflugmodell neigt dagegen dazu, in der Lage zu bleiben, in die es gebracht wurde, wenn man die Steuerknüppel loslässt. Dieser Unterschied heißt Stabilität.

Statische Stabilität: die erste Tendenz

Das Handbuch der FAA definiert statische Stabilität als die erste Tendenz, die ein Flugzeug zeigt, wenn sein Gleichgewicht gestört wird. Es gibt drei Fälle:

• Positive statische Stabilität: Das Flugzeug strebt in seine Ausgangslage zurück. Wie eine Kugel am Boden einer Schüssel.
• Neutrale statische Stabilität: Das Flugzeug bleibt in seiner neuen Lage. Wie eine Kugel auf einem ebenen Tisch.
• Negative statische Stabilität: Das Flugzeug entfernt sich noch weiter von der Ausgangslage. Wie eine Kugel auf einer Kuppe.

Positive statische StabilitätNeutralNegativkehrt nach Anstoß zurückbleibt an neuer Stelleentfernt sich nach AnstoßGedämpfte SchwingungGleichbleibende SchwingungAnwachsende Schwingungpositive dynamische Stabilitätneutrale dynamische Stabilitätnegative dynamische Stabilität

Dynamische Stabilität: Was geschieht im Lauf der Zeit?

Die statische Stabilität sagt nur etwas über die erste Tendenz aus. Ein Flugzeug, das in seine Ausgangslage zurückstrebt, kann über das Ziel hinausschießen und schwingen. Die dynamische Stabilität beschreibt, wie sich diese Bewegung im Lauf der Zeit ändert:

• Positiv: Die Schwingungen werden kleiner und klingen ab.
• Neutral: Die Schwingungen bleiben gleich groß.
• Negativ: Die Schwingungen werden größer.

Für positive dynamische Stabilität braucht es zuerst positive statische Stabilität; allein reicht sie aber nicht. Es muss auch eine Wirkung geben, die die Bewegung dämpft.

Längsstabilität: Schwerpunkt und Höhenleitwerk

Die Stabilität um die Querachse (Nicken, Nase hoch–runter) hängt eng mit dem Schwerpunkt (CG) zusammen, den wir im sechsten Schritt kennengelernt haben. Jedes Flugzeug hat einen Neutralpunkt: Läge der Schwerpunkt genau dort, wäre das Flugzeug beim Nicken neutral stabil. Je weiter der Schwerpunkt vor dem Neutralpunkt liegt, desto stabiler ist das Flugzeug. Das Verhältnis dieses Abstands zur mittleren aerodynamischen Flügeltiefe heißt Stabilitätsmaß (statische Reserve).

So funktioniert es: Hebt eine Böe die Nase an, steigt der Anstellwinkel sowohl der Tragfläche als auch des Höhenleitwerks. Weil das Leitwerk weit vom Schwerpunkt entfernt ist, erzeugt der Auftriebszuwachs dort ein großes Drehmoment und dreht die Nase wieder nach unten. Zugleich dämpft das Leitwerk die Bewegung: Wenn die Nase schnell hoch- und runtergeht, wird das Leitwerk gegen die Luft auf- und abbewegt, und diese Bewegung erzeugt eine Kraft, die ihr entgegenwirkt.

Stabilität um die Längsachse: V-Form

Flugzeuge, deren Tragflächen von vorn gesehen ein leichtes „V“ nach oben bilden, haben eine V-Form (Dihedral). Die NASA-Seite zur Flügelgeometrie weist darauf hin, dass die V-Form dem Flugzeug Stabilität um die Längsachse verleiht.

Wird das Flugzeug durch eine Böe zur Seite geneigt, neigt sich auch die Auftriebskraft zur Seite, und das Flugzeug beginnt, zur Seite der tieferen Tragfläche abzurutschen. Bei diesem Schieben trifft die tiefere Tragfläche dank der V-Form mit größerem Anstellwinkel auf die Luft und erzeugt mehr Auftrieb. Das Ergebnis ist eine Wirkung, die die Tragflächen wieder waagerecht stellt. Bei Hochdeckern hat die Lage des Schwerpunkts unter der Tragfläche eine ähnliche Wirkung (die FAA beschreibt das als „keel effect“).

Deshalb haben Trainermodelle eine deutliche V-Form. Kunstflugmodelle haben dagegen meist keine V-Form, damit sie die eingenommene Querneigung beibehalten, wenn man die Knüppel loslässt.

Stabilität um die Hochachse: Seitenleitwerk

Das Seitenleitwerk funktioniert wie eine Windfahne. Dreht eine Böe die Nase zur Seite, trifft das Seitenleitwerk seitlich auf die Luft und dreht die Nase wieder in die Strömung. Das Handbuch der FAA vergleicht das mit dem Verhalten einer Windfahne.

Ist Stabilität immer gut?

Ein sehr stabiles Flugzeug widersteht Störungen, reagiert aber auch nur widerwillig auf die Steuerung. Bei Trainern steht die Stabilität im Vordergrund, bei Kunstflugzeugen die Wendigkeit. In der Konstruktion wird ein Gleichgewicht zwischen beiden gesucht.

Selbst ausprobieren

Eine Böe hebt die Nase des Flugzeugs um 8° an. Lassen Sie das Stabilitätsmaß zuerst bei 10 und senken Sie es dann auf 0 und −5. Stellen Sie anschließend die Achse auf „Rollen“ und ändern Sie den V-Form-Winkel. Vergleichen Sie das Verhalten der Kurve im Diagramm und des Flugzeugs in der 3D-Ansicht.

Der nächste Schritt

Wir kehren zu den Flugleistungen eines stabilen Flugzeugs zurück: Wie weit gleitet das Flugzeug, wenn der Motor ausfällt? Wie viel überschüssige Leistung braucht es zum Steigen?