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Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

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Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“ - PowerPoint PPT Presentation


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Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen. Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“. Übersicht. Fliegender Hörsaal Das Konzept Das Flugzeug Theorie Statische Stabilität Dynamische Stabilität Manöverstabilität Steigflug- / Gleitflugleistung Versuchsablauf Flugvorbereitung Flugdurchführung

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Presentation Transcript
bersicht
Übersicht
  • Fliegender Hörsaal
    • Das Konzept
    • Das Flugzeug
  • Theorie
    • Statische Stabilität
    • Dynamische Stabilität
    • Manöverstabilität
    • Steigflug- / Gleitflugleistung
  • Versuchsablauf
    • Flugvorbereitung
    • Flugdurchführung
  • Auswertung
fliegender h rsaal
Fliegender Hörsaal
  • Das Konzept
    • „Erlebbares“ Flugpraktikum für möglichst viele Studenten
    • 7 Bildschirmplätze im Flugzeug
    • Datenerfassungs- und Aufzeichnungsanlage
      • Luftdaten (+ met. Basisdaten, wenn erforderlich)
      • Inertialdaten + GPS (Flugwegdaten)
      • Höhenruderkraft und –ausschlag
    • Qualität der Daten ist „flugversuchstauglich“….
fliegender h rsaal2
Fliegender Hörsaal
  • Das Flugzeug
    • Cessna C208B Grand Caravan
    • 3970kg MTOM
    • VNE= 175KIAS
    • Länge 12,67m
    • Spannweite 15,57m
    • Höhe 4,71m
    • Flügelfläche 25,96m2
    • Maximales Lastvielfache Klappen 0° +3,8g bis -1,52g
    • Maximales Lastvielfache Klappen 10,20,30° +2,4g bis 0g
theorie
Theorie
  • Statische Stabilität
    • Hier nur statische Längsstabilität
statische stabilit t
Statische Stabilität
  • Definition:

Wenn ein Fluggerät auf eine Störung eine Reaktion zeigt, die der Störung entgegen wirkt, ist es statisch stabil.

  • ACHTUNG:

Stabilität und Steuerbarkeit (Stability and Controllability) sind genau zu trennen und meistens gegenläufig!

Steuerbarkeit: Wie leicht lässt sich ein Flugzeug in einen neuen Zustand

überführen

Stabilität: Wie resistent gegen Störungen ist dieser Zustand

statische stabilit t1
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Statische Längsstabilität wirkt einer induzierten oder Störung von außen um die Querachse entgegen.
    • Statische Längsstabilität zeigt sich:
      • Zu jeder Geschwindigkeit gehört ein definierter Höhenruderausschlag
      • Aus einem getrimmten Zustand erzeugt eine Fahrtänderung einen positiven Kraftgradienten (ACHTUNG: Scheinbare Stabilität), Bsp.: Erster Alleinflug.
        • Stick free
      • Aus einem getrimmten Zustand erzeugt eine Fahrtänderung einen positiven Rudergradienten
        • Stick fixed (i.d.R. größer als stick-free)
      • Statische Längsstabilität macht ein Flugzeug angenehm fliegbar und schützt vor Überlastung
  • Statische Längsstabilität ist Voraussetzung für sicheres Fliegen und Zulassbarkeit!
  • Warum ist positiver Kraftgradient so wichtig???????
statische stabilit t2

3

1

2

Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Für ein statisch stabiles Flugzeug ergeben sich zwei Forderungen:
    • Das Flugzeug muss sich in einem ausgetrimmten Zustand um die Querachse befinden, also die Summe aller Kräfte und Momente muss Null sein. Das Flugzeug muss bei allen fliegbaren Auftriebsbeiwerten in einen ausgetrimmten Zustand gebracht werden können.
    • muss negativ sein
statische stabilit t3
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • In obiger Abbildung zeigt Punkt 1 den ausgetrimmten Zustand. Die Summe der Momente um die Querachse (CM = 0) ist Null. Wird das Flugzeug nun durch eine nach oben gerichtete Böe aus seiner Ausgangslage ausgelenkt, so entsteht ein höherer Anstellwinkel und damit ein größerer Auftriebsbeiwert CL (Punkt 2), die neue Druckverteilung um das Flugzeug erzeugt nun, im stabilen Fall, einen nach unten gerichteten Momentenbeiwert um die Querachse (nose-down, abnickend). Das Flugzeug wird zurück in die Ausgangslage überführt.
    • Statische Stabilität kann also als Änderung des Momentenbeiwertes über dem Anstellwinkel bzw. Auftriebsbeiwert angesehen werden. Anstellwinkel und Auftriebsbeiwert sind hier als gleichwertig anzusehen, da beide linear miteinander verbunden sind, wenn man vom Bereich unmittelbar in der Nähe des Strömungsabrisses absieht.
statische stabilit t4
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability

Beitrag des Flügels zur Stabilität

Da mit zunehmendem Anstellwinkel der Angriffspunkt der Luftkräfte am Flügel nach vorne wandert, also aufnickend wirkt, ist ein Tragflügel allein destabilisierend.

Beitrag des Rumpfes zur Stabilität

Ein gleichförmig gestalteter Flugzeugrumpf hat seinen Schwerpunkt etwas bei 50% der Rumpflänge, aber seinen Angriffspunkt der Luftkräfte eher bei 25% der Rumpflänge. Eine Anstellwinkeländerung würde also destabilisierend wirken.

Beitrag des Leitwerkes zur Stabilität

Das Leitwerk hat seinen Angriffspunkt der Luftkräfte weit hinter dem Schwerpunkt des

Gesamtflugzeuges (großer Hebelarm!). Eine Anstellwinkelerhöhung durch eine Böe erzeugt nun ein großes abnickendes Moment. Das Leitwerk wirkt also stark stabilisierend auf das Gesamtflugzeug.

statische stabilit t5
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Konventionelle Flugzeuge:
      • Ohne statische Stabilität nicht fliegbar
      • Kraftgradient kann beeinflusst werden (Apparent Stability):
        • Bob Weights
        • Ruderausgleich, Horn, Tabs, etc
        • Federn
    • Statisch stabile Fly-by-Wire Steuerung:
      • i.d.R. neutralstabil mit automatischer Trimmung -> immer im „Trim“
      • Veränderung der Flugeigenschaften über den Flugbereich
    • Statisch instabile Fly-by-Wire Steuerung:
      • z.T. extreme Manövrierbarkeit
      • Steuersäulen, die keinen Ausschlag zulassen, siehe F-16
      • Nicht vorhersehbare Ruderkombinationen
statische stabilit t6
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
statische stabilit t7
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
statische stabilit t neutralpunkt
Statische Stabilität: Neutralpunkt

Lw

Lw

Lt

Lt

a

t

Weight

statische stabilit t neutralpunkt2
Statische Stabilität: Neutralpunkt

Lw

Lw

Lt

Lt

a

t

Weight

statische stabilit t8
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Mathematischer Zusammenhang

Gleichung der statischen Stabilität für festes Ruder (stick-fixed)

h ist die Lage des Schwerpunktes entlang der MAC

h0 ist die Lage des Angriffspunktes der Luftkräfte der Flügel-Rumpf-Kombination

statische stabilit t9
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Mathematischer Zusammenhang

Neutralpunkt

Bewegt man nun den Schwerpunkt in obiger Gleichung nach hinten, wird (h-h0) größer, als positiver Flügelbeitrag, und der negative Leitwerksbeitrag kleiner, das Flugzeug also immer weniger stabil. Die Schwerpunktslage für =0 wird Neutralpunkt genannt. Hier ist das Flugzeug „neutralstabil“. Es gilt also:

damit wird:

und somit:

Damit ist die Stabilität mit festem Ruder nur eine Funktion des Abstandes von Schwerpunkt und Neutralpunkt. Beide Werte werden in % der Mittleren aerodynamischen Flügeltiefe angegeben (MAC).

statische stabilit t10
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Stick-free
statische stabilit t11
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
statische stabilit t12
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
statische stabilit t13
Statische Stabilität
  • Längsstabilität – Longitudinal Stability
    • Gesetzliche Vorschriften :
      • CS 23.145 Longitudinal Control
      • CS 23.173 Static Longitudinal Stability
      • CS 23.175 Demonstration of static Longitudinal Stability
      • CS 25.145 Longitudinal Control
      • CS 25.173 Static Longitudinal Stability
      • CS 25.175 Demonstration of static Longitudinal Stability
theorie1
Theorie
  • Dynamische Stabilität
    • Hier nur Phygoide
dynamische stabilit t
Dynamische Stabilität
  • Definition:

Die aus der statischen Stabilität resultierende Reaktion erzeugt eine Schwingung. Ist diese konvergent, so liegt dynamische Stabilität vor, ist sie divergent, so liegt dynamische Instabilität vor. Ohne statische Stabilität kann es keine dynamische Stabilität geben.

  • Es existieren die folgenden Eigenformen:
    • Längsbewegung:
      • Phygoide
      • Alpha-Schwingung
    • Seiten- und Querbewegung:
      • Dutch-Roll (gekoppelt)
      • Spiral
      • Roll
dynamische stabilit t1
Dynamische Stabilität
  • Phygoide:
    • Meist schwach gedämpft, aber leicht beherrschbar wegen niedriger Frequenz
dynamische stabilit t2
Dynamische Stabilität
  • Phygoide:
    • Mathematische Abschätzung aus Differentialgleichung der Bewegung
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Dynamische Stabilität
  • Phygoide:
    • Gesetzliche Vorschriften
      • CS 23.181 (c) Darf nicht so instabil sein, dass sie die Arbeitsbelastung des Piloten erhöht oder das Flugzeug anderweitig gefährdet.

ACHTUNG: Darf instabil sein!

      • CS 25.181 (c)
theorie2
Theorie
  • Manöverstabilität
man ver stabilit t
Manöver Stabilität
  • Zum Verständnis

Statische Längsstabilität beschäftigt sich mit einem Flugzeug im unbeschleunigten Horizontalflug. Nachdem aber Flugzeuge in der Lage sein müssen, zu manövrieren, müssen sie auch unter Lastvielfachen „stabil“ sein.

Statische Längsstabilität wird betrachtet, indem man den Auftriebsbeiwert durch die Geschwindigkeit unter 1g-Bedingung ändert.

Aber:

Man könnte nun auf die Idee kommen den Auftriebsbeiwert über n zu ändern.

man ver stabilit t1
Manöver Stabilität
  • Zum Verständnis

Fighter im Kurvenflug : z.B. 20lbs/g, bei 9g ergeben das 180lbs… zu hoch

Airliner im Kurvenflug : z.B. 3lbs/g, bei 1,5g ergeben das 4,5lbs…Gefahr der Überlast

man ver stabilit t2
Manöver Stabilität
  • Zum Verständnis

Im Unterschied zum „stationären“ Fall der statischen Längsstabilität bewegt sich nun das Höhenruder durch die Luft und verursacht dabei eine zusätzliche Anstellwinkelerhöhung am Höhenruder. Diese „aerodynamische Nickdämpfung“ verursacht einen Unterschied des Stabilitätsmaßes zwischen Manöverstabilität und statischer Stabilität.

Dieser zusätzliche Anstellwinkel bestimmt sich zu:

Daraus folgt die gesamte Anstellwinkelerhöhung:

man ver stabilit t3

TEU

Im Manöver

e

Statisch

CL

Manöver Stabilität
  • Vergleich zu statischer Längsstabilität

Pull

Im Manöver

Fe

Statisch

CL

man ver stabilit t4

TEU

Fwd CG

e

Aft CG

n

Manöver Stabilität
  • Einfluss der Schwerpunktslage

Pull

Fwd CG

Fe

Aft CG

n

man ver stabilit t5

Fwd CG

Fwd CG

de/dn

dFe/dn

Aft CG

Aft CG

CG

CG

Manöver Stabilität
  • Bestimmung der Manöverpunkte

Stick-free

Maneuver Point

Stick-fixed

Maneuver Point

man ver stabilit t6
Manöver Stabilität
  • Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug
    • Abfangbogen

Aus der Mechanik folgt für die Nickrate

    • Kurvenflug

Aus der Mechanik des Kurvenfluges folgt

Nickrate ist

damit

man ver stabilit t7

q

Turns

Pull-ups

Manöver Stabilität
  • Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug

n

Nachdem die Nickrate in Kurven höher ist als in Abfangbögen, ist die zusätzliche

Dämpfung durch das Höhenleitwerk größer und das Flugzeug ist im Kurvenflug

Stabiler! Im Kurvenflug benötigt man also größere Kräfte und Ausschläge für ein

gleich großes Lastvielfaches.

man ver stabilit t8
Manöver Stabilität
  • Effekt von Bob-Weights und Federn

Weder Bob-Weight noch eine Feder hatten Einfluss auf die stick-fixed static stability,

das gilt auch für die stick-fixed maneuver stability.

Aber auf die stick-free static stability haben beide sehr wohl einen Einfluss.

Im Manöver erzeugt die Feder keine Extrakraft, jedoch das Bob-Weight.

Es gilt der folgende Zusammenhang:

man ver stabilit t9
Manöver Stabilität
  • Gesetzliche Vorschriften
    • CS 23.155:
      • Steuerhorn: Mind. 89N aber muss nicht mehr als 222N bei max. Lastvielfachem sein
      • Steuerknüppel: Mind. 66,8N aber muss nicht mehr als 156N bei max. Lastvielfachem sein
      • Kein starker Rückgang des Kraft/n-Gradienten (!!!!)
    • FAR 25.---:
      • Macht keine Aussage mehr
      • Warum? Eventuell wegen Fly-by-Wire
theorie3
Theorie
  • Steigflug- / Gleitflugleistung
    • Excess Power
steigflug gleitflugleistung
Steigflug- / Gleitflugleistung

Power

Power available jet

Power available Prop

Best Rate of Climb

Jet

Best Rate of Climb

Prop

Power required

Velocity

steigflug gleitflugleistung1
Steigflug- / Gleitflugleistung
  • Excess Power ist
    • Potentielle Energie +
    • Kinetische Energie
  • Messbar entweder durch
    • Beschleunigung (Level Acceleration, High Performance)
    • Steigleistung (Saw Tooth Climb)
steigflug gleitflugleistung2
Steigflug- / Gleitflugleistung

Airspeed Constant

Pressure

Altitude

Slope = dH/dT

Test Altitude

Time

steigflug gleitflugleistung3
Steigflug- / Gleitflugleistung

Altitude Constant

Rate of

Climb

Velocity

steigflug gleitflugleistung4
Steigflug- / Gleitflugleistung

Rate of

Climb

Best Rate of Climb

Vy

Altitude Increase

Best Angle of Climb

Vx

Velocity

steigflug gleitflugleistung5
Steigflug- / Gleitflugleistung

Aircraft Ceiling

Vx = Vy

Altitude

Vy

Vx

Velocity

versuchsablauf
Versuchsablauf
  • Flugvorbereitung
    • Wetter (Pilot)
    • Beladeplan (Studenten?)
    • Flugleistungen (Pilot)
    • Kraftstoff (Pilot)
    • Briefing (Luftraum, Fluganmeldung, Flugprogramm,….)
    • ….
versuchsablauf1
Versuchsablauf
  • Flugvorbereitung
    • Beladeplan
versuchsablauf2
Versuchsablauf
  • Flugdurchführung
    • Sicherheit geht vor!
    • Zügiges Arbeiten
    • Arbeitsteilung
    • Eindeutige Kommunikation
    • Abbruchkriterien (Übelkeit, Verkehr, Wetter, Datenerfassung, Flugzeug,….)
versuchsablauf3
Versuchsablauf
  • Flugdurchführung
ad