Auswirkungen der Propellerdrehung bei besonderen Flugzuständen mit hohen Anstellwinkeln und/oder schnellen Lageänderungen.

Phänomenbeschreibung 

Ein um die vertikale Längsebene absolut symmetrisch gebautes Motorflugzeug mit einer genau in der Flugzeuglängsachse befindlichen Propellerachse fliegt wie bekannt leider nicht so optimal, wie es eigentlich zu erwarten wäre. Das gilt sowohl für manntragende Flugzeuge - trotz des an Bord befindlichen schnell regelnd eingreifenden Piloten - als auch besonders für ferngesteuerte Flugapparate, die wesentlich komplizierteren zeitverzögerten Regelkreisen mit menschl. und techn. Übersteuerungstendenzen unterliegen. 

Dieses Problem einmotoriger Flugzeuge, besonders ab der Verfügbarkeit starker Motoren, wurde bald erkannt und Kompensationsmöglichkeiten gefunden, die bis heute bei Flugmodellen verwendet werden, deren Sinnhaftigkeit bei Standardmodellen (fast) außer Zweifel stehen, wohlbekannt sind und in diesem Artikel nicht weiter behandelt werden.  Das sind 'Motorsturz' und 'Seitenzug' als Heilmittel einerseits gegen unbalanzierte Widerstands- und Auftriebsmomente und andererseits gegen das Gegendrehmoment (abstützendes Fundamentmoment des Motors) durch den Propeller-Drehwiderstand und gegen den Drall der propellerbeschleunigten Luftmasse.

 Die in der Folge unten beschriebenen Effekte sind unabhängig von der Art des Motors. Die eklatanten Gleichlaufunterschiede - auch des Propeller-Wirkungsgrades - während einer einzeln Propellerumdrehung (4-Takt-Einzylinder während 2 Umdrehungen) sind hier annähernd unwesentlich, ebenso deren Wegfall bei Elektromotoren.Sollten Sie zu den Vollgaspiloten gehören, hat dieser Artikel für Sie leider nur einen lexikalischen Wert. Sollten Sie aber Anhänger eines Fun-Fly Stils mit zumindest zeitweilig hohen Anstellwinkeln und/oder geringen Fluggeschwindigkeiten bis zur Vorwärtsgeschwindigkeit Null beim Hovern sein, werden Sie hier die Begründungen für das unter besonderen Umständen reproduzierbar ungewohnte Verhalten des Modells finden. Eine entsprechende kompensatorische Senderprogrammierung oder bewußte Gegensteuerbewegung noch vor Ereigniseintritt findet hier ihren Notwendigkeitsnachweis. Festzuhalten ist, daß beide nichtlinearen Phänomene schlecht mit statischen Trimmungen kompensierbar sind, wohl aber ETWAS mit flugstilbezogenen schaltbaren Mixeranwendungen.

Phänomen Nr.I:
Situation I: Langsamflug mit hohem Anstellwinkel;
Folge I: Auswandern des Vortriebsmittelpunktes aus der Propellerachse nach rechts;
Auswirkung I: Ungewollte Linkskurven, ggf. sogar Abkippen nach links. (Gee Bee!)

  Effektursache:

Stellen Sie ein Modell in Fluglage mit waagrecht stehendem Propeller auf eine testgerechte Unterlage und betrachten Sie von oben den Unterschied der Propellerblätter bei Absenken des Flugzeughecks in die 3-Punktlage. In dieser werden Sie erkennen, dass das in Flugrichtung gesehene rechte Blatt so einen wesentlich höheren Anstellwinkel zu einer horizontalen Luftströmung als das linke Blatt hat. Von der Steigung des linken Blattes ist in waagrechter Lage der stellungsbedingte Winkel der Motorachse zur Horizontalen abzuziehen, beim rechten Blatt dazuzuzählen. Bei 10 Grad Motorachse-Anstellwinkel pendelt somit die Propellersteigung je nach momentaner Lage des Blattes (durch die Motordrehung) im linken Sektor zwischen Normsteigung und einer um 10 Grad verringerten Propellersteigung, in der rechten Propellerkreishälfte zwischen Normsteigung und einer um 10 Grad vergrößerten Steigung. Der Unterschied zwischen den beiden Steigungen bei horizontaler Propeller-Momentanlage ist in diesem Beispiel somit 20 Grad. Dem entsprechend produziert das rechts befindliche Blatt einen wesentlich größeren Vortrieb als das linke Blatt, der Angriffspunkt der resultierenden Vortriebskraft schwankt somit zwischen Motorachsennähe bei senkrechter Propellermomentanstellung und rechtsseitigem Maximalwert irgendwo in Blattmittennähe bei waagrechter Propmomentanlage zyklisch 2x pro Umdrehung (2-Blatt-Prop) einige cm hin und zurück.

  Die Auswirkungen sind klar, auch ohne genaue Quantifizierung: Sie sind genau so, als ob man den Motor ein paar cm rechts außerhalb der Modellmitte montiert hätte !

  Beispielhafte weitere fliegerische Auswirkungen:

• Das typische nach links Drehen beim überzogenen (Kavalier)- Start,
• nach links Drehen im Hochanstellwinkel-Langsamflug (auch Loopingteile!) - noch verschärft beim Verwenden auftriebs- und widerstanderhöhender Klappen - detto beim scharfen Abfangen und 'Pulle rein' (hier kommt noch das nach links wirkende sich schlagartig vergrößernde Fundamentmoment bei ggf. instabilem Flugzustand durch das Beschleunigen der Propeller- und Kurbelwellenmasse dazu und auch noch die Luftschraubenstrahl-Drallauswirkung auf das Seitenruder).

Phänomen Nr. II:

Dieses macht sich einerseits bei extrem schnellen Veränderungen der Fluglage und andererseits bei aerodynamisch unstabilen Flugzuständen mangels 'normaler' aerodynamischer Stabilisierungs- und/oder Ruderkräfte bemerkbar. Es tritt somit besonders gut - und störend! - erkennbar beim Hovern auf. Und bei dessen aus Showgründen 'ruckartiger' Einleitung mittels 1/4-Looping, bei der das Phänomen reproduzierbar ganz offensichtlich auftritt und auf Flugtagen und TOC-Videos oftmalig diagnostizierbar ist.

  Es handelt sich dabei um die Auswirkung der Propeller- und Kurbeltriebrotation, die ja ein in schneller Rotation befindliches Kreiselsystem erheblicher Masse darstellt.

  Wenn dieser Kreisel gezwungen wird, seine Drehebene zu verändern, reagiert er mit einer großen Kraft, wobei diese nicht als simple Gegenkraft gegen die eingebrachte Störungskraft wirkt, sondern um 90 Grad verdreht. Details dazu finden Sie unter dem Begriff 'Präzession' in Physik(schul)-büchern, Lexika etc. Uns interessiert ja nur die fliegerische Auswirkung, die in der Zeit der Umlaufmotoren mit deren schweren rotierenden Motormassen plus Propeller im wahrsten Wortsinn leider tatsächlich mörderisch gewesen ist:

  Situation II: engstes Hochziehen zum Hovern (1/4-Loop mit 1/4 bis 1/2 Gas).
Folge II: Die Präzession erzeugt eine Kraft um die Hochachse(!), obwohl die Änderungsachse die dazu rechtwinkelig stehende Querachse ist !!

  Auswirkung II: Am Ende des 90-grädigen Hochziehens steht (fliegt) das Modell nicht senkrecht sondern mehrere Grad nach rechts hängend; gilt für die übliche Propellerrotation im Uhrzeigersinn.

  Zur praktischen Verifizierung dieser Behauptung und zum Erspüren der überraschend großen Präzessionskräfte kann man unter Anwendung jeder nur erdenklichen Vorsicht ein schnelllaufendes Elektrogerät ohne Getriebe, wie einen Motorhandschleifer verwenden. Wenn man diesen so hält, dass bei laufender Scheibe drehrichtig die Luftschraube repräsentiert wird und man jetzt diesen 'loopinggerecht' nach hinten kippt, spürt man die fast unwiderstehlichen Kräfte und am Ende des händischen 1/4-Loopings hat man den Schleiferteller und die Motorachse nach rechts schiefstehend im Raum.

  Da sich Flugzeuge ja nur an dem nachgebenden Medium Luft 'abstützen', muss das für ein Modell natürlich die gleichen Auswirkungen haben wie für die elastische o.a. Schleiferaufhängung in der nachgebenden Hand.

  Bei starken Korrekturen während des Hoverns, die ja wieder mit einer schnellen Veränderung der Propellerebene verbunden sind, tritt dieser Effekt auch erkennbar auf. Und zwar nicht nur bei Höhen-Tiefenruderausschlag - Kippen nach rechts-links -, sondern auch bei Drehungen um die Hochachse bei Seitenruderbetätigung, wobei sich das Modell bei Linksdrehung etwas in Richtung Rückenlage bewegt, bei Rechtsdrehung in Richtung Bauchlage.

  Je kleiner, leichter und schnellreagierend der Funflyer, um so mehr betriffts ihn. Die 20 kg Pötte lässt das ziemlich kalt.

  Zwischenbemerkung: Der besondere Clou, warum uns das Kreiselphänomen bei harmlosen Flugzuständen nicht ununterbrochen nervt, z.B. bei einem nicht sehr engen Looping, ist u.a. darin zu finden, daß das o.a. Phänomen I des Vortriebsmittelpunktes bei großer Anstellung während des Loopings die Kreiselphänomene II gegenwirkend teilweise kompensiert und keinesfalls verstärkt. Umgekehrt gilts natürlich auch.

  Es wäre interessant, diese Kompensation mit verschieden schweren/geformten Props zu erforschen. Das Dumme daran ist nur, dass bei einer beliebigen konstanten Drehzahl und Fluggeschwindigkeit das Propellerzugproblem NUR vom MOMENTANEN Anstellwinkel z.B.. auch während einer schönen Schleppgaslandung abhängt, das Kreiselproblem allerdings NUR von der MOMENTANEN Lage-ÄNDERUNGS-Geschwindigkeit der Propellerebene, eben besonders lästig bei schnellen Bewegungen um die Querachse, z.B.. bei ruckartigem Abfangen!

    Nur der Vollständigkeit halber: Die Präzession belästigt auch die Turbinenflieger.
Zwar highspeed-fliegerisch nur minimal, aber bei den üblichen Drehzahlen, besonders bei Lande-Kippstößen, werden große nichtzentrische Kräfte auf die Turbinenläufer-Lagerelemente ausgeübt.

Bei schnellen Lande-Achsrichtungsänderungen und somit schnellem Kippen der Rotorebene kann sich schon mal ein dann quasi solitär belastetes Lagerkügelchen bei nicht optimalem dynamischen Schmierfilm den Grenzen seiner Belastbarkeit nähern. Beim Show-highspeed-Hochziehen verursachen gegen den Uhrzeiger drehende Turbinen eine Schiebekurventendenz nach links; minimal zwar, aber doch physikgerecht erkennbar.

Soweit zur Präzession und deren Auswirkungen beim engen Funfly-Stil.
Erstaunlich: Beide o.a. Phänomene sind aber tatsächlich der Grund, warum ein Boomerang so fliegt, wie er eben fliegen soll.
Toll, die Aborigines!