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Flugzeug mit einem Flügelpaar Die beiden Hauptprobleme des dynamischen
Fluges sind die Erlangung einer genügenden Stabilität und einer genügenden Steuerungsfähigkeit
des Flugkörpers.
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Bei Flugzeugen der üblichen Bauart mit festen Flügeln wird die Längs-
und Seitenstabilität durch besondere Flächen erreicht, die in waagerechter und in
senkrechter Ebene in den Luftstrom ragen und in genügender Entfernung vom Schwerpunkt
in solche Stellung gebracht werden, daß sie die Abweichungen vom gleichmäßigen,
horizontalen, geradlinigen Flug durch die auf die Stabilisierungsflächen wirkenden
Kräfte korrigieren und das Flugzeug selbsttätig wieder in seine ursprüngliche Lage
zurückbringen. Bei Flugzeugen, die aus Rumpf und Flügeln bestehen, wird der Rumpf
im allgemeinen etwas nach hinten verlängert und bildet gewissermaßen einen Auslegerhebel,
an dem die waagerechten und senkrechten Steuerflächen befestigt werden. Bei Nurflügelfliigzeugen
sind die Flügel im Grundriß gewöhnlich V-förmig nach hinten oder nach vorn gerichtet.
Die Längsstabilität wird hierbei durch eine Kombination der Flachform mit einer
Verwindung der Flügelspitzen in Richtung auf einen kleineren oder größeren Anstellwinkel
erreicht, während die Seitenstabilisierungsflächen an den Flügelspitzen angeordnet
sind.
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Ist die erforderliche Stabilität gesichert, so wird die für den Flug
notwendige Steuerung bei den üblichen Flugzeugen durch Ausschläge bestimmter Teile
der Stabilisierungsflächen erreicht, und zwar in der Weise, daß Kräfte erzeugt werden,
durch die
bestimmte Änderungen der Kipp-, Roll- und Seitenmomente
erzielt werden können. Unter dem Begriff Steuerung sollen im Rahmen der vorliegenden
Beschreibung die Kräfte verstanden werden, die zur Erzeugung der Änderungen der
Kipp-, Roll- und Seitenmomente im jeweiligen Fall erforderlich sind. Nach langjährigen
Erfahrungen mit verschiedenen mechanischen Vorrichtungen beruht die Steuerung bisher
allgemein auf der Verwendung von Querrudern zum Ausgleich von Rollbewegungen, Höhenrudern
zum Ausgleich von Kippbewegungen und Seitenrudern für seitliche Bewegungen.
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Es ist unvermeidlich, daß die Stabilisierungs- und Steuerflächen und
die zu ihrer Anbringung und Abstützung erforderlichen Bauteile das Gewicht und den
Luftwiderstand eines Flugzeuges erheblich erhöhen. Bei den üblichen Flugzeugtypen
sind etwa 3% des Gesamtgewichts und 15 bis 2o % des schädlichen Luftwiderstandes
durch die Stabilisierungs-und Steuerflächen oder deren Äquivalente sowie durch Bauteile
verursacht, deren einzige Aufgabe es ist, diese Flächen zu tragen. Das Problem des
Luftwiderstandes wird bei Flugzeugen der üblichen Bauart durch die starke Vergrößerung
der Flossen und Ruderflächen noch größer, die mit zunehmender Größe der Flugzeuge
und mit der Vermehrung ihrer Antriebsaggregate notwendig ist, um eine hinreichende
Steuerwirkung ausüben zu können, und zwar beispielsweise auch dann, wenn ein oder
zwei Antriebstrietoren ausfallen. Die Erfindung ist auf eine verbesserte Bauart
von Flugzeugen gerichtet, bei der die üblichen Stabilisierungs- und sonstigen überzogenen
Flächen sowie ihre Äquivalente fortgelassen werden können, wodurch eine erhebliche
Verbesserung der Flugleistung erreicht wird.
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Beim Flugzeug nach der Erfindung sind die Flügel nicht fest, sondern
so angeordnet, daß sie während des Fliegens zu Steuerzwecken bewegt werden können.
Die Erfindung soll sich nicht auf Flugzeuge beziehen, deren Flügel in anderer Art
beweglich sind und die als Tragschrauber, Hubschrauber, Schwingenflugzeuge o. dgl.
bekannt sind.
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Ein Flugzeug nach der Erfindung besitzt ein am Rumpf angebrachtes
Flügelpaar. Der Rumpf und die Flügel sind so gestaltet und angeordnet, daß sich
während des normalen Fluges eine bleibende Längsstabilität dadurch erzielen läßt,
daß das natürliche Längskippmoment des Rumpfes, wenn er in geringem Anstellwinkel
zum Luftstrom steht, und das in entgegengesetztem Sinne wirkendeLängskippmoment
des Auftriebs in stabiles Gleichgewicht gebracht werden, wobei die Flügel zur Beeinflussung
der Längsstabilität gegen den Rumpf einstellbar sind. Nach weiteren Merkmalen der
Erfindung sind die Flügel auch verstellbar, um den Längstrimm oder eine Steuerung
der Rollbewegungen oder seitlicher Bewegungen zu erzielen.
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Eine natürliche Längsstabilität wird durch Anordnung der Flügel in
der Nähe des hinteren Endes des Rumpfes und durch eine solche Wahl der Form und/oder
der Stellung des Rumpfes und der Flügel erreicht, daß die Geschwindigkeit, mit der
sich das von den Flügeln beeinflußte Längskippmoment mit dem Anstellwinkel ändert,
größer ist als die Geschwindigkeit, mit der sich das im entgegengesetzten Sinne
wirkende, vom Rumpf bedingte Längskippmoment mit dem Anstellwinkel ändert. Natürlich
muß man auch irgendwelche natürlichen Längskippmomente der Flügel selbst berücksichtigen,
obwohl man sie möglichst klein zu halten versucht, sowie das kleine Auftriebsmoment
des Rumpfes. Die Begriffe natürliches Längskippmoment des Rumpfes und Längskippmoment
des Auftriebs schließen das natürliche Längskippmoment der Flügel bzw. das Auftriebsmoment
des Rumpfes mit ein.
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Der Erfindungsgegenstand kann demgemäß auch in anderer Weise definiert
werden, nämlich als ein Flugzeug mit einem Flügelpaar, dessen Rumpf und Flügel so
gestaltet und angeordnet sind, daß bei normalem Flug das natürliche Längskippmoment
des Rumpfes bei geringem Anstellwinkel zum Luftstrom entgegengesetzt zu dem durch
den Auftrieb erzeugten Längskippmoment wirkt und daß die Stabilität gegenüber kleinen
Störungen der Längskippmomente durch eine während des Fluges erfolgende Verstellung
der Flügel gegenüber dem Rumpf aufrechterhalten wird, die so wirkt, daß das durch
den Auftrieb erzeugte Längskippmoment sich mit einer Änderung des Anstellwinkels
schneller ändert als das natürliche, entgegengesetzt wirkende Längskippmoment des
Rumpfes. Die Erfindung bezieht sich dabei auf ein Flugzeug, das ein einziges Flügelpaar
und keine Schwanzflächen, Höhenruder, Flossen, Seitenruder, Querruder o. dgl. besitzt,
wobei die Längsstabilität durch die Form und die Anordnung von Rumpf und Flügeln
und die Steuerung der Kippbewegungen durch eine während des Fluges durchzuführende
Verstellung der Flügel relativ zum Rumpf erreicht wird.
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Die Kippbewegungen lassen sich dadurch steuern, daß der Anstellwinkel
beider Flügel gleichmäßig und relativ zum Rumpf verändert wird, während die Rollbewegungen
entweder durch Querruder oder durch unterschiedliche Anstellungen der beiden Flügel
gesteuert werden können.
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Die natürliche Stabilität gegen seitliche Abweichungen von der Flugrichtung
kann dadurch erzielt werden, daß der Luftwiderstand der Flügel so weit hinter dem
Schwerpunkt des Flugzeugs angreift, daß er Störungen in der Horizontalebene entgegenwirkt.
Die Seitensteuerung kann entweder in bekannter Weise dadurch erreicht werden, daß
das Flugzeug in solche Schräglage gebracht wird, daß es eine Wendung in die gewünschte
Richtung vollzieht, oder aber dadurch, daß die relative Stellung von Rumpf und Flügeln
in bezug auf eine sowohl zur Längsachse des Rumpfes als auch zur Längsachse der
Flügel rechtwinklige Achse verändert wird.
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Ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs erheblich geringer als die normale
Fluggeschwindigkeit, z. B. während des Starts oder beim Landen, so kann die Notwendigkeit,
hierbei den Flügelanstellwinkel in solchem Maße zu verändern, daß das Flugzeug eine
ausgesprochene
Steillage mit abwärts gerichtetem Schwanz einnimmt, dadurch vermieden werden, daß
die Flügel gegenüber dem Rumpf vor- und rückwärts verschiebbar sind. Man kann so
durch Verschieben der Flügel den waagerechten Abstand zwischen dem aerodynamischen
Schwerpunkt und dem Massenschwerpunkt so weit verringern, daß das von den Flügeln
übertragene Längskippmoment, das das Flugzeug vorn herunterzudrücken sucht, mit
dem vom Rumpf stammenden Längskippmoment, das das Flugzeug vorn hochzuziehen sucht,
ins Gleichgewicht kommt. Auf diese Weise kann also der Längstrimm erzielt werden.
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Hat der Rumpf kreisförmigen Querschnitt, so wird sein Längskippmoment
ganz durch seine Stellung zum vorherrschenden Luftstrom bestimmt. Bei stabilem Flug
wird das Flugzeug dann eine leicht nach oben gerichtete Stellung einnehmen. Wird
der Rumpf eines Flugzeugs so gestaltet, daß er ein Längskippmoment hervorruft, so
sollte seine Längsachse leicht gekrümmt sein, so daß bei waagerechter Stellung des
Rumpfes die auf ihn wirkende Kraft beim Flug ein das Flugzeug hochziehendes Kippmoment
hervorruft. Dieses Kippmoment kann durch Änderung des Anstellwinkels vergrößert
oder vermindert werden.
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Für ein Flugzeug nach der Erfindung ist ein Rumpf besonders geeignet,
der breiter als hoch ist. Eine solche Form ruft nicht nur die zur Steuerung der
Kippbewegungen erforderlichen großen Längskippmomente hervor, sondern erlaubt auch
den Einbau eines Fahrgestells genügender Breite in den Rumpf an Stelle seinerAnbringung
an den Flügeln. Dadurch wird die Verwendung von auf verschiedene Anstellwinkel einstellbaren
Flügeln praktisch möglich gemacht, was wiederum dem Konstrukteur die Möglichkeit
gibt, Flügel von so hohem Auftriebskoeffizient zu verwenden, daß die zulässige Mindeststart-
und -landegeschwindigkeit vermindert werden kann. Der Fortfall der üblichen Querruder
ermöglicht die Verwendung eines Flügels, der kein Längskippmoment um den aerodynamischen
Schwerpunkt hat, so wie es früher schon üblich war, ehe die Notwendigkeit für einen
empfindlichen Ausgleich der Querruderflächen diese Art von Flügeln ungeeignet machte,
und trägt so zur Verfeinerung der Steuerung bei, wenn beide Flügel zur Veränderung
ihrer Anstellwinkel gleichzeitig um ihre Längsachse gedreht werden.
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Es ist ein Flugzeug mit einem Flügelpaar bekannt, hei dem die Flügel
gegenüber dem Rumpf dadurch nach vorn und hinten verstellbar sind, daß sie zurückgeschwenkt
werden können. Zweck dieser Einstellbarkeit soll es sein, eine Möglichkeit zu schaffen,
um den Druckschwerpunkt der starren Flügel unabhängig von der Belastung des Flugzeuges
stets in die gleiche relativeLage zum Massenschwerpunkt des Flugzeuges zu bringen.
Weitenhin ist dabei beabsichtigt, den Längstrimm für jede gegebene Lage des Massenschwerpunktes
zu sichern, gleichgültig, ob die Maschine bzw. die Motoren mit voller Leistung oder
gedrosselt laufen, wenn die Achse des Propellerschubes oberhalb oder unterhalb des
Massenschwerpunktes liegt. Die Flügel sollen hierbei auch um eine Achse drehbar
sein, die unter einem solchen Winkel zur Flugrichtung steht, daß eine Bewegung der
Flügel sie nicht nur nach hinten verschwenkt, sondern auch ihren Anstellwinkel verändert.
Dabei wurde aber nicht vorgesehen, das natürliche, auf den Rumpf wirkende Längskippmoment
in der hier beschriebenen Weise zur Stabilisierung und Steuerung zu verwenden. Es
war auch nicht vorgesehen, die Flügel relativ zum Rumpf verstellbar zu machen, um
die Längskippbewegungen im Sinne der Erfindung zu steuern, was etwas anderes ist
als eine gelegentliche Veränderung des Längskippmomentes, wie sie durch das bekannte
Vor- und Zurückschwenken der Flügelhervorgerufen werden können.
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Die Zeichnung zeigt Beispiele für die Ausführung eines Flugzeuges
nach der Erfindung, und zwar zeigt Fig. i eine Seitenansicht, Fig.2 einen Grundriß,
Fig. 3 eine Ansicht von hinten, Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch den Rumpf in
der Mittelachse der Flügel in größerem Maßstab, Fig. 5 einen Grundriß der inneren
Flügelenden, Fig.6 einen Querschnitt nach der gekrümmten Linie VI-VI von Fig. 5
in einer Stellung, bei der beide Flügel in verschiedener Weise verdreht sind, und
Fig.7 einen Spantenschnitt eines Flügels, aus dem die Anordnung des Flügels am Rumpf
ersichtlich ist, die die nach der Erfindung erforderliche Verstellung ermöglicht.
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Aus Fig. i bis 3 ist ersichtlich, daß das dargestellte Flugzeug einen
Rumpf io besitzt, der breiter als hoch ist, nahe dem Rumpfende Flügel i i und 12
trägt und keine Höhenflossen, Seitenruder, Querruder und Hilfsflügel aufweist.
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Die Lage des aerodynamischen und des Massenschwerpunktes für die in
Fig.2 in ausgezogenen Linien dargestellte Flügelstellung ist mit 13 bzw. 14 bezeichnet.
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Fig. i zeigt in ausgezogenen Linien die Flügelstellung für Normalflug
und in strichpunktierten Linien eine Stellung, bei der der Rumpf zum Ausgleich des
bei geringer Fluggeschwindigkeit verminderten Längskippmomentes relativ zu den Flügeln
nach hinten verschoben ist.
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Fig.2 zeigt in strichpunktierten Linien die Flügelstellung zum Rumpf,
die zum Beispiel zum Ausgleich eines ausgefallenen Backbordmotors eingestellt worden
ist.
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Bei der in Fig. 4, 5 und 6 gezeigten Lenkeranordnung, die die einander
zugekehrten stumpfen Enden 1 FA und 1113 der Flügel miteinander verbildet, stützen
sich die Flügel i i und 12 mit einem Zentriergelenk aneinander ab, das aus einem
Zapfen 16 und einer Lagerpfanne 15 besteht, die an den einander gegenüberliegenden
Stirnflächen befestigt sind. Lenker 17 verbinden die Flügel in der dargestellten
Weise, um die erforderliche Stetigkeit der Verwindung zu schaffen. Die Lenker sind
beiderseits mittels Kugelgelenken 18 an den Flügeln angelenkt. Finden relative Drehbewegungen
zwischen beiden
Flügeln statt, so bewegen sich die Lenker
17 aus der vorher eingenommenen Lage in Richtung der Erzeugenden des Flügelprofils
in die in Fig. 6 gezeigte Schräglage. Der Abstand zwischen den Flügeln wird dadurch
geringer. Um diese Drehbewegungen zu ermöglichen, ohne daß Spannungen entstehen,
sind die Kugelgelenke 18 auf zur Symmetrieel)ene X- Y (Fig. 5) konvex angeordneten
Paraüelkurven angebracht. Das Zentriergelenk 15, 16 ist so ausgebildet, daß es die
geringe Annäherung in Richtung der Flügellängsachse P-Q (Fig. 5), die bei der beschriebenen
Drehbewegung der Flügel entsteht, zuläßt.
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Der Rumpf io ist so mit den Flügeln l i, 12 verbunden, daß folgendeVerstellungen
zwischenRumpf und Flügeln ausgeführt werden können: a) eine Drehbewegung der Flügel
als Ganzes zur Änderung des Anstellwinkels, b) eine verschiedenartige Drehbewegung
beider Flügel zum Steuern von Rollbewegungen, c) eine Vorwärts- oder Rückwärts-Bewegung
des Rumpfes gegenüber den Flügeln zum Ausgleich von Veränderung des Längskippmomentes
des Rumpfes und d) eine relative Verdrehung um eine Achse, die sowohl auf der Rumpflinksachse
als auch auf der Flügellinksachse senkrecht steht zur zusätzlichen Steuerung seitlicher
Bewegungen.
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Die hierzu dienenden Mittel sind zwei in der Nähe der inneren Flügelenden
angeordnete Rahmen, die aus den Streben 20, 21, 22 (Fig. 4 und 7) bestehen. Die
Rahmen werden von Rollen 23 gehalten, die auf in Längsrichtung im Rumpf angeordneten
Schienen 24 laufen. Für jeden Flügel ist je eine Schiene oberhalb und unterhalb
des Flügels am Rumpf vorgesehen. Der Rahmen stellt somit gewissermaßen ein Fahrgestell
dar, das Längsbewegungen in Richtung der Schienen, jedoch keineCQuerbewegungen dazu
ausführen kann.
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In jedem Rahmen ist ein aus zwei gleichachsig unter und über dem Flügel
angeordneten Zylindern 25 bestehendes hydraulisches System eingebaut, das mittels
der Streben an dem jeweiligen Flügel befestigt ist. Die Zylinder 25 haben alle die
gleiche Bohrung und enthalten Kolben, die auf Kolbenstangen 26 sitzen, an deren
Enden je eine der Laufrollen 23 angeordnet ist. Der nutzbare Hub der Kolben ist
in beiden Richtungen gleich groß, und das Innere des einen Zylinders ist mit dem
des anderen durch zwei w=eite Rohrleitungen 27, 28 verbunden, von denen die eine
die beiden über den Kolben liegenden Zylinderräume und die andere die beiden unter
den Kolben befindlichen Zylinderräume vereinigt. Auf diese Weise entstehen zwei
getrennte Flüssigkeitssysteme.
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Das auf die Flügel wirkendeGewicht des Rumpfes wird durch den Druck
der im unteren System enthaltenen Flüssigkeit aufgenommen, während nach unten gerichtete,
von den Flügeln auf den Rumpf überträgene Kräfte von der im oberen System enthaltenen
Flüssigkeit- aufgenommen werden.
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Eine Verlagerung des Druckschwerpunktes der Flügel aus dem Mittelpunkt
der hydraulischen Achse (der Verbindungslinie zwischen den beiden Rollen 23) bewirkt
das Auftreten eines Moments, das dazu benutzt «-erden kann, irgendein aerodynamisches
Längskippinoinent auszugleichen, das von Klappen oder anderen Vorrichtungen zur
Steigerung des Auftriebes herrührt. Diese Verlagerung kann durch Umpumpen von Flüssigkeit
aus dem einen System in das andere System bewirkt werden.
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Es ist eine charakteristische Eigenschaft der vorbeschriebenen Rahmenbauart,
daß sie keine Bewegungen der Flügel in Richtung der hydraulischen Achse zuläßt,
wohl aber Verminderungen oder Vergrößerungen des Abstandes der beiden Rollen 23.
Werden zum Beispiel die Flügel so verdreht, daß eine Verlängerung des Rahmens bzw.
eine Vergrößerung des Abstandes der Rollen 23 erforderlich wird, so kann die Flüssigkeit
des einen Systems ohne weiteres von der Oberseite des oberen Kolbens durch die Rohrleitung
27 zur Oberseite des unteren Kolbens und die des anderen Systems von der Unterseite
des unteren Kolbens durch die Rohrleitung 28 zur Unterseite des oberen Kolbens fließen.
Eine Drehbewegung der Flügel in entgegengesetztem Sinne, die eine Verkürzung des
Rahmens erforderlich macht. wird durch umgekehrte Strömungsrichtung der Flüssigkeit
ermöglicht. Werden beide Flügel zugleich im gleichen Sinne verdreht, um den Anstellwinkel
für beide gleichmäßig zu verändern, so werden sich beide Rahmen um den aerodynamischen
Schwerpunkt der Tragflächen drehen. Eine Verstellung der Flügel in entgegengesetzten
Richtungen zum Zwecke einer Steuerung von Rollbewegungen wird durch entsprechende
entgegengesetzte Drehbewegungen der Rahmen erzielt.
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Sollen die Flügel zur Steuerung seitlicher Bewegungen um eine vertikale
Achse verschwenkt werden, so wird das eine Rahmenfahrgestell auf seinen horizontalen
Schienen 24 vorgefahren und das andere um ein entsprechendes Stück zurückbewegt.
Die Flügel machen dann diese liew-egung mit.
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Soll die Lage des Druckschwerpunktes der Flügel zu der des Massenschwerpunktes
des Flugzeuges zwecks Einstellung des Längstrimms verändert werden, so können beide
Rahmen auf den Führungsschienen 24 innerhalb deren Länge vorwärts oder rückwärts
bewegt werden, ohne daß dabei die Winkelstellung der Flügel beeinflußt wird.
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Die natürliche Eigenschaft des Rumpfes, ein verhältnismäßig großes
1.ängskil>pmoment bei einer vernachlässigbar kleinen Erhöhung des Luftwiderstandes
zu erzeugen, wenn seine Längsachse um einen kleinen Winkel zum Luftstrom angestellt
ist, wird nur ausgenutzt, wenn die Flügel in der Nähe seines hinteren Endes angeordnet
sind. Wenn die Flügel dagegen in der üblichen Weise näher am vorderen Ende des Rumpfes
liegen, oder auch dann, wenn ganz vorn kleine Tragflächen angeordnet sind, wie dies
beim Entenflugzeug der Fall ist, so wird diese Eigenschaft ernstlich gestört. Werden
aber am vorderen -Teil des Rumpfes keine hervorstehenden Teile angeordnet, so kann
der Rumpf bei Erhaltung eines ungehinderten Luftstromes über dem größeren Teil seiner
Fläche mit dem vollen Wert des ihm eigenen Längskippmoinentes wirken, so daß der
lumpf
leim dynamischen Flug selbst die Rolle einer Stabilisierungsfläche übernehmen kann.