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How do large cranial crests create flight stability?

How do large cranial crests create flight stability? A contribution by Thomas Piepenbring. "It tips over immediately!", is probably the "standard sentence" one gets to hear right from the start when one flies with a pterosaur replica like the "KJ1 Nyctosaurus". After a successful start, flight and landing in gusty wind, "flight engineer smart-Alec" has already "evaporated".

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Video KJ1 Nyctosaurus in strong and irregular wind

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How do large cranial crests create flight stability?

„Das kippt ja sofort um!“ ist dann wohl der „Standardsatz“, den man zu hören bekommt, wenn man mit einer Flugsaurierrekonstruktion, wie dem „KJ1 Nyctosaurus“ fliegt, am besten direkt beim Start von der Seite ins Ohr gebrüllt. Nach erfolgreichem Start, Flug und Landung bei böigem Wind ist dann „Flug-Ingenieur-alles-wissend“ auch schon „verduftet“. Letztendlich geht es in der Natur um das alltägliche Überleben. Ein Flugsaurier würde sich niemals irgendetwas Gefährliches, Nutzloses etc. auf seinem Kopf wachsen lassen. Betrachtet man daher zuerst einmal die Wirkung des Scheitelkammes im sprichwörtlich einfachsten Fall: Der „Nyctosaurus“ fliegt gar nicht, sondern fällt einfach senkrecht vom Baum. Und zwar versehentlich nicht in Flugposition, sondern um 90° verdreht. Der Scheitelkamm liegt horizontal und der Flügel steht senkrecht.

[Translate to English:] Wie erzeugen hochgebaute Scheitelkämme Flugstabilität?


Die wirkenden Luftkräfte sind nicht schwer zu erkennen. Der horizontal liegende Scheitelkamm erzeugt sofort einen enormen Luftwiderstand. An der senkrecht stehenden Tragfläche wirkt der Luftstrom aber nur minimal. Da die Luftkräfte sehr weit links vom Schwerpunkt angreifen, entsteht ein äußerst kräftiges Rollmoment, dass den „Nyctosaurus“, lange bevor er auf dem Boden ankommt, umgehend in Normalposition zurückdreht.

[Translate to English:] Wie erzeugen hochgebaute Scheitelkämme Flugstabilität?


Der Scheitelkamm kann in dieser Situation auch einfach als „Windfahne“ betrachtet werden, die den Flügel immer in Normalposition zurückdreht. Ähnlich wie ein Seitenleitwerk, dass die Hochachse zurückdreht. Betrachtet man die Wirkung des Scheitelkammes im Flug, ist die Wirkung vergleichbar. Wird „Nyctosaurus“ 90° um die Rollachse auf die Seite gedreht, kann die Tragfläche keinen Auftrieb mehr erzeugen und er beginnt zu sinken. Von hinten sieht dies so aus:

[Translate to English:] Wie erzeugen hochgebaute Scheitelkämme Flugstabilität?


Da er sich nun vorwärts/abwärts bewegt, greift der Luftstrom von vorn/unten an. Von der Seite sieht diese Flugsituation dann so aus:

[Translate to English:] Wie erzeugen hochgebaute Scheitelkämme Flugstabilität?


Der horizontal liegende Scheitelkamm hat also einen positiven Anstellwinkel und beginnt einen kräftigen Auftrieb zu erzeugen. Noch einmal von hinten betrachtet sieht das Ganze dann so aus:

[Translate to English:] Wie erzeugen hochgebaute Scheitelkämme Flugstabilität?


Der Scheitelkamm erzeugt einen stark asymmetrischen Auftrieb. Der analog zum freien Fall ein sehr starkes Rollmoment erzeugt und den „Nyctosaurus“ umgehend in Normalposition zurückdreht:

[Translate to English:] Wie erzeugen hochgebaute Scheitelkämme Flugstabilität?


Damit der Scheitelkamm Auftrieb erzeugt, ist es nicht notwendig „Nyctosaurus“ komplett zur Seite zu rollen. Die Wirkung setzt vielmehr kontinuierlich bei jeder Rollbewegung ein und der Scheitelkamm erzeugt so auch in jeder Fluglage kontinuierlich Rollstabilität. Im freien Flug wirkt ein hoch gebauter Scheitelkamm daher nicht destabilisierend. Er wirkt vielmehr als „Ersatztragfläche“ sobald „Nyctosaurus“ zur Seite gerollt wird. Die gesamte Konfiguration ist auch nicht „irgendwie kipp-gefährdet“, sondern ein „aerodynamisches Stehaufmännchen“!

Oder mal ganz salopp gesagt:

Man stellt das „lange Ding“ halt da oben drauf und da bleibt es auch. Ganz von selbst und auch bei starkem und unregelmäßigem Wind. Alles Weitere ist dann allerdings nicht so einfach!

Autor: Thomas Piepenbring

Video content / Playlist

  • How do large cranial crests create flight stability?
    KJ1 Nyctosaurus in strong and irregular wind.

Details

Event
How do large cranial crests create flight stability?

Place
unknown

Date
14.06.2017

Videos
5 min. in Full-HD

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6 images

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Thomas Piepenbring

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