Querruder

Ergebnis der Rudertätigkeit: Rollen

Rotationsachsen und Ruder eines Flugzeugs

Animierte Darstellung der Flugzeugsteuerung

Querruder sorgen bei fast allen 3-Achs-gesteuerten Flugzeugen für die Flugsteuerung um die Längsachse.

Querruder sind im Allgemeinen Klappen an den Tragflächen-Hinterkanten, die gleichzeitig und entgegengesetzt bewegt werden. Das Querruder, das nach unten bewegt wird, erhöht auf seiner Seite den Auftrieb, wodurch sich diese Tragfläche hebt. Das andere Querruder bewegt sich nach oben, verringert somit den Auftrieb und die Tragfläche senkt sich. So entsteht eine Rollbewegung um die Längsachse.

Entwicklung und Geschichte

Erstmals wurde ein funktionierendes und bekanntes Querruder von dem Franzosen Robert Esnault-Pelterie entworfen und getestet, wie es auch heute in der Luftfahrt noch verwendet wird.

Das negative Wendemoment

Ein nachteiliger Effekt des Querrudereinsatzes entsteht dadurch, dass das jeweils nach oben ausschlagende Querruder den Flügel beschleunigt (der Luftwiderstand wird verringert), das nach unten bewegte jedoch den Flügel bremst (Widerstand erhöht sich): Das nach unten ausschlagende Querruder, das eine Tragfläche anhebt, bewirkt neben dem erhöhten Auftrieb auf dieser Seite des Flugzeuges gleichzeitig einen überhöhten Luftwiderstand, der wiederum eine deutliche Bremswirkung auf dieser (kurvenäusseren) Seite bewirkt. Folglich giert das Flugzeug zusätzlich zur beabsichtigten Rollbewegung, jedoch zur entgegengesetzten Seite (negativ). Aus diesem Grund führt die Betätigung des Querruders zu einem negativen Wendemoment (also: ein Bewegen der Flugzeugnase gegen die gewollte Steuerrichtung), weshalb saubere Kurven im Flugzeug koordiniert mit Quer- und Seitenruder (in die Kurvenrichtung zum Ausgleich des negativen Wendemomentes) geflogen werden müssen. Größere Flugzeuge besitzen meist einen sog. Gierdämpfer (engl. yaw damper), der automatisch den Seitenruderausschlag für verschiedene Flugzustände anpasst; ein bewußtes Mitsteuern des Seitenruders durch den Piloten erübrigt sich in diesem Fall. Zudem unterscheidet man bei diesen Flugzeugen zwischen Niedrig- und Hochgeschwindigkeitsquerrudern, vgl. Tragfläche.

Das negative Wendemoment kann durch die Konstruktion des Flugzeuges abgeschwächt oder bei Motorflugzeugen beseitigt werden. Eine mechanisch einfach zu realisierende Möglichkeit der Abschwächung ist die differentielle Ansteuerung, bei der das nach unten bewegte Querruder weniger weit ausschlägt als das andere. Beseitigen kann man das negative Wendemoment bei Motorflugzeugen, in dem oben auf der Hinterkante des Querruders ein senkrecht stehender Blechstreifen den Widerstand des Ruders beim Ausschlag nach oben erheblich vergrößert. Eine positive Anwendung des negativen Wendemoments ist der Seitengleitflug.

Die Querruder-Trimmung erfolgt durch so genannte Trimmruder.

Weiterhin ist zu beachten, das ein Flügel in Schräglage weniger Auftrieb (senkrecht nach oben wirkende Kraft) verursacht, da sich seine Luftkraft („Auftrieb“ rechtwinklig zum Flügel) vektoriell aufteilt in den Auftrieb und eine Schiebekraft zum hängenden Teil des Flügels hin. Aus diesem Grund muss beim Querrudereinsatz auch leicht das Höhenruder betätigt werden, was zu erhöhtem Anstellwinkel und Widerstand führt und das Flugzeug verlangsamt. Für Segelflugzeuge bedeutet dies, dass sie vor dem Kurvenflug durch Sinken so Geschwindigkeit aufbauen müssen, dass in der Kurve nicht die Stallgeschwindigkeit erreicht wird.

Flügelverwindung

In der Frühzeit der Fliegerei wurde die Rollsteuerung oft ohne Querruder, sondern durch Flügelverwindung erzielt. Dabei wurden die Enden der Tragflächen über Seilzüge etwas verdreht, wodurch sich ebenfalls eine Auftriebsdifferenz zwischen beiden Flügeln und damit ein Rollen des Flugzeuges ergab.

Die Gebrüder Wright, deren Flugzeuge durch Flügelverwindung gesteuert wurden, waren der Meinung, dass ihr weitgefasstes Patent auch die von Glenn Hammond Curtiss erfundene Methode der Rollsteuerung über Querruder abdeckte und prozessierten deswegen gegen Curtiss.

Erstmals angewendet wurden Querruder durch Robert Esnault-Pelterie an einem antriebslosen Doppeldecker-Gleitflugzeug im Jahre 1904.

Querruderumkehr

Wird das Querruder betätigt, so erhöht sich an jenem Flügel, bei dem das Querruder nach unten ausschlägt, durch die stärkere geometrische Wölbung der Profil-Skelettlinie der Anstellwinkel. Zusätzlich verursacht das nach unten in den Bereich höheren Druckes ausschlagende Querruder auch eine Widerstandserhöhung.

Im extremen Langsamflug kann dies zu einem einseitigen Strömungsabriss an diesem Flügel führen, wodurch er, anstatt sich nach oben zu bewegen, nach unten „fällt“. Da gleichzeitig durch den erhöhten Widerstand auch eine Drehbewegung um die Hochachse verursacht wird, kann dies das Flugzeug ins Trudeln bringen. Dieser Effekt wird, technisch etwas ungenau, „Querruderumkehr“ genannt.

Die meisten modernen Flugzeuge weisen durch geeignete konstruktive Maßnahmen kaum noch eine Querruderumkehr auf.

Ersatz der Querruder durch gegenläufige Höhenruder

Bei vielen modernen Kampfflugzeugen unterstützen die Höhenruder die Querruder, indem sie wie Querruder gegensinnig bewegt werden. Beim Tornado ersetzten diese gegensinnig steuerbaren Höhenruder die Querruder gänzlich. Diese Bauart wird im englischen Fachbegriff auch Taileron (combined tailplane and aileron) genannt. Der Vorteil der damit möglichen extrem großen, fast über die ganze Flügellänge gehenden Landeklappen (und somit hohe Zuladung) wird durch eine leicht verminderte Rollrate erkauft. Um diese wichtige Kenngröße eines Kampfflugzeug auf die gefordert hohen Werte zu bringen, wurden die Flügel des Tornados relativ weit außen – und somit sehr wirksam – mit je einem Spoiler pro Flügel ausgestattet. Diese reduzieren beim Ausfahren einseitig den Auftrieb und erzeugen somit das geforderte hohe Drehmoment um die Flugzeuglängsachse und unterstützen damit die Tailerons. Diese Spoiler sowie alle beweglichen Klappen und Flügel werden beim Tornado durch eine ausgefeilte Fly-by-wire-Flugsteuerung angesteuert.

Literatur

• Ernst Götsch: Luftfahrzeugtechnik : Einführung, Grundlagen, Luftfahrzeugkunde. Motorbuchverlag, Stuttgart 2003, ISBN 3-613-02006-8.

Weblinks

 Commons: Ailerons – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien