Control tabs (lättroder)

(note: at the top of the page you can choose translation of this article to other languages, but don't expect the translation to be perfect — "Välj språk" means "Choose language")

Systemet med lättroder (se förklaring nedan) har använts bl a av McDonell Douglas (DC-8, DC-9 och MD-80) och Boeing (Boeing 707, Boeing 737 och Boeing 717). Det enda av dessa flygplan som fortfarande tillverkas är Boeing 737 (Max). Alla flygplanstyperna flyger dock fortfarande även om de sakta men säkert håller på att fasas ut. Hos Boeing 737 utgör systemet med lättroder ett reservsystem som används vid s k manual reverse i samband med totalt hydraulikbortfall (se huvudtexten om Boeing Max). På Boeing 737 manövreras rodren normalt hydrauliskt, genom vajrar som går från spak och pedaler till hydraulventiler. Men dessa vajrar är också kopplade till control tabs (kontrollflikar) på höjd- och skevroder (sidorodret har inga kontrollflikar utan har i stället ett extra hydrauliksystem plus att det hjälpligt går att flyga en jetliner utan sidoroder). Om hydrauliken fallerar kan en Boeing 737 således manövreras med hjälp av kontrollflikarna. Systemet med kontrollflikar kallas på svenska "lättroder". Hos DC-8, DC-9 och Boeing 717 (det senare planet var i själva verket en medlem i DC-9-familjen, vilken Boeing fick på köpet när de gick ihop med McDonell Douglas) var lättrodersystemet inget reservsystem utan var helt enkelt det sätt på vilket rodren kontrollerades (med undantag för sidorodret, vilket normalt manövrerades hydrauliskt men som hade en kontrollflik som backup). Se bild 3 och texten till denna. I stället för hydraulisk servo hade Douglas så att säga "aerodynamiskt servo" (på höjd- och skevroder). Fördelen med detta system var att det var helt mekaniskt och därför mindre sårbart än ett komplicerat hydrauliskt eller elektriskt system.

Överkurs: På mindre flygplan har man vajrar mellan spak/pedaler och roder. På större flygplan har man någon form av kraftförstärkande mekanism. Boeing 737 och andra äldre konstruktioner har vajrar som går till hydraulventiler, vilka styr hydraulkolvar kopplade till rodren. I detta system har man hydraulpumpar som drivs från planets motorer och långa hydraulledningar från dessa pumpar till varje roder. DC-9 och MD-80 använder, som beskrivits ovan, kontrollflikar på rodren. Mellan spak/pedaler och kontrollflikar finns vajrar. De flesta moderna jetliners har fly-by-wire, vilket innebär att man har elektriska ledningar mellan spak/pedaler och respektive roder. Dessa elektriska signaler styr hydraulventiler kopplade till rodren (dvs i stället för mekanisk överföring mellan spak/pedaler och hydraulventiler har man elektrisk överföring).
Moderna flygplan är till stora delar datorstyrda. På Airbus går signalerna från spakar och pedaler och throttlehandtag (motorpådrag) till ett system av datorer, vilka sedan bestämmer vilka roderutslag och motorpådrag som skall göras. Men även hos andra tillverkare har man datorer involverade i planets manövrering (i olika grad). Här underlättar det givetvis om man har elektrisk signalering till rodren (i stället för vajrar), eftersom en dator ger elektriska signaler som output. Man kan således direkt koppla output från datorn till de olika kontrollerna av planet.
Precis som vid vajerstyrd hydraulik har man vid fly-by-wire hydraulpumpar, som drivs av planets motorer (och elektriska hydraulpumpar som reserv) och hydraulledningar ända fram till rodren. Eftersom jetliners måste ha redundans, finns två eller tre helt separata och kompletta hydraulsystem fram till rodren (dvs två eller tre motordrivna hydraulpumpar plus ett antal eldrivna hydraulpumpar som backup, två eller tre uppsättningar hydraulledningar till varje roder etc). Ett sådant system kommer att väga en hel del (och på flygplan räknas varje kilogram).
Teoretiskt skulle flygplansroder kunna manövreras av någon typ av elektriska motorer. Men såvitt jag vet finns ingen jetliner som har ett sådant system. De modernaste planen (Boeing 777, Boeing 787 och Airbus 330 och Airbus 350) har något som kallas EHA (Electro-Hydraulic Actuator) som är ett kombinerat elektrohydrauliskt system (el in och hydrauliskt styrda roderrörelser ut). Där behövs inte de långa, hydrauliska ledningarna mellan hydraulpumpar på motorerna och rodren. EHA består av en komplett enhet som innehåller en kompakt, elektrisk hydraulpump och ett litet lokalt hydraulsystem med styrventiler och hydraulkolvar. Man behöver således inte ha stora hydraulpumpar på varje motor och sedan långa hydraulledningar fram till rodren. I stället har man en EHA för varje roder. Avståndet mellan EHA och roder handlar om några decimeter (det är ju en EHA som manövrerar respektive roder). Från spak och pedaler kommer således elektriska signaler som styr de lokala EHA-enheterna, vilka manövrerar rodren hydrauliskt. Genom detta system blir man av med de långa hydraulledningarna och sparar mycket vikt. Och systemet blir också mindre sårbart. Diametern på de elektriska ledningarna måste dock ökas, eftersom de förutom att överföra styrsignalerna också måste kunna överföra tillräckligt med ström för att driva EHA-enheternas hydraulpumpar.

Låt oss nu titta närmare på hur ett system med control tabs fungerar (ofta säger man elevator control tab eller aileron control tab eller rudder control tab (rudder betyder sidoroder) för att ange på vilket roder de sitter — hela systemet kallas, som framgått ovan, för "lättroder"). "Stabilizer" (i bilderna nedan) betyder "stabilisator" och utgörs av den främre delen av de horisontella små "vingarna" i stjärten. Stabilisatorn är fast på mindre flygplan men kan på jetliners vridas med hjälp av en domkraft (ofta elektrisk). Detta kallas stabilisatortrim och förklaras närmare i huvudtexten om Boeing Max. Orsaken till att man har en sådan trim är att tyngdpunkten kan ha väldigt olika lägen på ett passagerarplan, beroende på hur det är lastat och hur mycket bränsle som finns ombord (om det handlar om en långflygning kanske man vid start har 110 ton bränsle ombord och när man landar kanske man har 12 ton kvar). Dessutom flyttar sig lyftkraftcentrum (den punkt i vilken summan av alla planets lyftkrafter verkar) beroende på flygplanets fart, hur mycket klaff man har ute, huruvida landningsstället är utfällt eller ej etc. Höjdrodret räcker inte till för att klara dessa stora variationer i stabilitet, vilken till stora delar beror på avståndet mellan tyngdpunkt och lyftkraftcentrum (se min artikel om flygplans stabilitet) och därför används stabilisatortrim (där således hela stabilisatorn vrids) för att kompensera bort dessa variationer. Längst bak på stabilisatorn sitter höjdrodret eller höjdrodren (elevator), se bild 3 (större flygplan har ofta två höjdroder, ett på vänster del av stabilisatorn och ett på höger del). Detta/dessa manövreras av piloternas spakar eller joysticks och kontrollerar planet i pitchled (nos upp/nos ner vid horisontell flygning). Drar man åt sig spaken höjs flygplanets nos och skjuter man fram spaken sänks nosen.

På stora flygplan krävs någon form av roderservo för att piloterna skall orka manövrera rodren (i varje fall under någon längre tid). Moderna flygplan har därför i allmännhet hydraulisk servo till rodren. McDonell Douglas valde i stället systemet med lättroder.

Bild 1. Bilden visar kontrollfliken (control tab) något nedåt (piloten har dragit spaken åt sig lite grand) och därmed har höjdrodet (elevator) rört sig något uppåt (vilket verkar för att långsamt höja nosen).

Låt oss nu först titta på höjdrodret hos DC-9/MD-80. Som framgår av bilden ovan (se också bild 3) så har systemet med lättroder en kontrollflik (control tab) på bakkanten av höjdrodret (elevator). Själva höjdrodet svänger fritt kring sin vridningsaxel (sitt "gångjärn") medan kontrollfliken manövreras av piloterna. Kontrollfliken fungerar som ett "höjdroder för höjdrodret" så att säga. När piloten vill höja nosen drar han åt sig spaken varvid kontrollfliken rör sig nedåt. Detta skapar en kraft som påverkar det fritt rörliga höjdrodet. Detta rör sig då uppåt och flygplanets nos höjs. Och vice versa när piloten skjuter fram spaken. Kontrollfliken utgör en mycket liten del av höjdrodrets area varför det inte behövs så stor kraft för att vrida den men genom luftens fart (vi talar om höga farter) kommer farttrycket att fungera som en förstärkning av pilotens påverkan av kontrollfliken. Kontrollfliken är visserligen liten, men genom att den har en stor hävarm relativt höjdrodrets vridningsaxel (gångjärn) förstärks dess verkan ytterligare. Vi får med andra ord ett aerodynamiskt/mekaniskt servo.

Bild 2. Bilden visar kontrollfliken i starkt nedåtläge (dvs piloten drar spaken kraftigt mot sig), varvid höjdrodret rör sig rejält uppåt, och man får en snabb noshöjning.

Eftersom höjdrodren på flygplan med lättroder svänger fritt, kan de vid frånvaro av fartvind stå i vilket läge som helst (kontrollflikarna har ju ingen verkan då). Höjdrodren kan därför, på ett parkerat eller taxande plan med lättroder, röra sig om det blåser kraftigt. På DC-9/MD-80 är inte vänster och höger höjdroder hopkopplade utan kan vrida sig oberoende av varandra. Vid kraftig vind bakifrån, är det inte ovanligt att det ena höjdrodret hänger ned medan det andra befinner sig i sitt övre läge. Det ser kanske konstigt ut men är fullt normalt. När planet accelerar under start och fartvinden ökar, börjar kontrollflikarna att verka och rodren ställer sig rätt (i enlighet med spakens läge). Observera att när piloten gör roderkontroll före start och då för spaken fram och tillbaka, rör sig inte höjdrodren (som på de flesta flygplan) utan det är endast elevation control tabs (kontrollflikarna) som rör sig. Piloterna har således, i ett lättrodersystem, enligt vad som framkommer ovan, ingen direkt kontroll av höjdrodren, utan kan enbart styra dessa roders kontrollflikar.

Systemet med lättroder har flera fördelar. Dels får man ett väldigt robust och enkelt system, utan komplicerad teknik. Kontrollflikarna har givetvis, som diskuterats ovan, ingen verkan när planet står still eller vid taxning (men då behöver man ju inte heller höjdrodret). Vid start ökar deras verkan allt eftersom farten ökar. Farten måste därför bli ganska hög innan det överhuvudtaget är möjligt att lyfta nosen och risken för att man av misstag skall rotera (lyfta nosen för att planet skall börja flyga) vid för låg fart blir därför liten. När man börjar rotera är kontrollflikarnas effekt relativt liten (men ökar sedan allt eftersom farten ökar — det tar ju några sekunder mellan att man börjar lyfta nosen och att planet lättar) och nosen lyfts därför mjukt. På flygplan med hydraulikservo kan man få en abrupt noshöjning om man drar åt sig spaken alltför bryskt, något som passagerarna upplever som obehagligt.

Ovan har getts en förenklad förklaring av systemet med lättroder. Verkligheten är som vanligt mer komplicerad än vad som framgår av en ytlig betraktelse. För att kontrollfliken skall få tillräcklig verkan på höjdrodret redan vid relativt låg fart (vid start och landning) måste den vara ganska stor. Detta leder till stora spakkrafter vid hög fart, dvs planet blir tungt att manövrera. Som framgår av följande bild så finns i själva verket ytterligare två flikar på bakkanten av höjdrodret.

Bild 3. Bilden visar de olika kontrollytorna (control surfaces), dvs roder etc, som finns på DC-9/MD-80. Vi ser här att förutom "elevator control tab" så har vi också "geared tab" och "antifloat tab". Observera att dessa plan också har control tabs på skevrodren (aileron control tabs — se nedan). Observera vidare att man har en control tab på sidorodret (rudder control tab). Men denna utgör bara ett reservsystem, eftersom sidorodret på DC-9/MD-80 normalt manövreras hydrauliskt (till skillnad från höjd- och skevrodren).

Den flik som sitter längst in (närmast den vertikala fenan) är ovannämnda elevator control tab. Utanför denna finns en s k geared tab (också kallad servo tab). Denna har ingen kontakt med piloternas spakar. När kontrollfliken rör sig kommer höjdrodret att börja röra sig. Gear tab är kopplad till ett system av länkarmar, och när höjdrodret rör sig kommer gear tab att påverkas av dessa länkarmar så att den förstärker effekten från kontrollfliken (control tab). På så sätt får man tillräcklig höjdroderverkan vid låg fart och samtidigt relativt små spakkrafter vid högre farter.

Vid landning lyfter man nosen precis innan sättningen för att få en så mjuk landning som möjligt. Detta kallas "att man flyter ut" (på engelska heter det att man gör en "flare" — uttalas "flär"). Vid landning har kontrollfliken en tendens att "flyta" uppåt (på grund av luftströmningen från stabilisatorns framkant), vilket leder till att höjdrodret då rör sig nedåt och därmed verkar för att sänka nosen. Detta motverkar pilotens försök att flyta ut genom att höja nosen, och kan ge hårda landningar. Därför har man en tredje flik (antifloat tab), vilken sitter längst ut och som underlättar utflytningen (genom att motverka kontrollflikens tendens att sänka nosen). Antifloat tab träder automatiskt i funktion vid nosvinklar mellan 10-12,5° (dvs precis före att man sätter planet på banan).

Bild 4. Bilden ovan visar hur stabilisatorn på DC-9/MD-80 ser ut i den fysiska verkligheten.

På DC-9/MD-80 har vi även lättroder på skevrodren (detta gäller även Boeing 737, men i detta fall handlar det, som beskrivits ovan, om ett reservsystem). Där finns bara kontrollflik (och en trimflik, med vars hjälp man kan trimma planet i rolled). Se bild 3 ovan. I detta fall behövs inga fler flikar. På höjdrodret finns inga trimflikar, eftersom planet trimmas i pitchled med hjälp av stabilisatortrim (hela stabilisatorn vrids).

Ett problem med McDonell Douglas system är att man vid höga nosvinklar och låg fart (dvs i närheten av stall) får dålig höjdroderauktoritet och därmed svårigheter att ta sig ur en stallsituation. Därför har dessa plan, som backup, en hydraulisk kontroll av höjdrodren, vilken träder i funktion när man skjuter fram spaken maximalt. På så sätt kan man omedelbart få maximal höjdroderverkan för att snabbt sänka nosen vid behov (observera att det är höjdrodret som direkt påverkas hydrauliskt, inte kontrollflikarna — vid stall eller nära stall kan luftströmningen runt stabilisatorn vara så störd att kontrollflikarna är verkningslösa). I checklistan före start (before takeoff checklist) ingår att man skjuter fram spaken maximalt, varvid en lampa tänds på overheadpanelen. Detta bekräftar att systemet fungerar.

Det tycks som att lättrodersystemet fungerar bra. Jag känner några f d DC-9- och MD-80-piloter. De sägrer sig vara mycket nöjda med båda dessa flygplanstyper och tycker att de har mycket goda manöver- och flygegenskaper (givetvis beror inte detta enbart på lättrodersystemet utan på mängder av olika faktorer).

Tillbaka till huvudartikeln Boeing 737 Max — den sanna och kompletta historien
Tillbaka till Kristers Flygsida