Seminar zum Fliegenden Hörsaal Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen.

Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen

Folie 2 > DLR FB-OP > Gemsa

Übersicht

Fliegender Hörsaal

Das Konzept

Das Flugzeug

Theorie

Statische Stabilität

Dynamische Stabilität

Manöverstabilität

Steigflug- / Gleitflugleistung

Versuchsablauf

Flugvorbereitung

Flugdurchführung

Auswertung

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 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

Fliegender Hörsaal

Das Flugzeug

Theorie

Hier nur statische Längsstabilität

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

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 StabilitätLängsstabilität – 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 seinLdCMdC

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.

Beitrag des Flügels zur StabilitätDa mit zunehmendem Anstellwinkel der Angriffspunkt der Luftkräfte am Flügel nach vorne wandert, also aufnickend wirkt, ist ein Tragflügel allein destabilisierend.

Beitrag des Rumpfes zur StabilitätEin 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 StabilitätDas 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.

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 Stabilität: Neutralpunkt

Weight

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

HVTaTahh

LdCMdC

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).

LM dCdC

HVTaTahnh

LdCMdC

HVTaTahnh 10

nhhLdCMdC

Stick-free

Longitudinal Static StabilityCessna C208B D-FDLR, 28.10.2005, Meteo Pod+Dummy

60 80 100 120 140 160

IAS [kts]

fwd CG

aft CG

Linear (aftCG)

Measured Stick-free StabilityC208B D-FDLR, Meteo Pod + Dummy

y = 0,1534x - 0,1387

y = 0,1054x - 0,0992

0 0,5 1 1,5 2

Stick-free Neutral Point DeterminationC208 D-FDLR, Meteo Pod+Dummy

-0,020

0,020,040,060,080,1

0,120,140,160,18

0 10 20 30 40 50 60

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

Theorie

Hier nur Phygoide

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:

PhygoideAlpha-Schwingung

Seiten- und Querbewegung:Dutch-Roll (gekoppelt)SpiralRoll

Phygoide:

Meist schwach gedämpft, aber leicht beherrschbar wegen niedriger Frequenz

Phugoid - GA-8 AirvanN611CP, aft cg, 03-04-05

0 20 40 60 80 100 120

time[seconds]

Phygoide:

Mathematische Abschätzung aus Differentialgleichung der Bewegung

C707.0

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)

Theorie

Manöverstabilität

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.

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

Zum VerständnisFighter im Kurvenflug : z.B. 20lbs/g, bei 9g ergeben das 180lbs… zu hochAirliner im Kurvenflug : z.B. 3lbs/g, bei 1,5g ergeben das 4,5lbs…Gefahr der Überlast

Zum VerständnisIm 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:

Vergleich zu statischer Längsstabilität

Statisch

Einfluss der Schwerpunktslage

Aft CG

Bestimmung der Manöverpunkte

Fwd CG

Aft CG

dFe/dn

Fwd CG

Aft CG

Stick-fixedManeuver Point

Stick-freeManeuver Point

Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug

Abfangbogen

Aus der Mechanik folgt für die Nickrate

Kurvenflug

Aus der Mechanik des Kurvenfluges folgt

Nickrate ist

gnq 2sinsin

Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug

Pull-ups

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 eingleich großes Lastvielfaches.

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:

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

Theorie

Excess Power

Power required

Power available Prop

Power available jet

Velocity

Best Rate of Climb Prop

Best Rate of ClimbJet

Excess Power ist

Potentielle Energie +

Kinetische Energie

Messbar entweder durch

Beschleunigung (Level Acceleration, High Performance)

Steigleistung (Saw Tooth Climb)

PressureAltitude

Slope = dH/dT

Test Altitude

Airspeed Constant

Rate of Climb

Velocity

Altitude Constant

Rate of Climb

Velocity

Altitude IncreaseBest Angle of ClimbVx

Best Rate of ClimbVy

Altitude

Velocity

Aircraft CeilingVx = Vy

Versuchsablauf

Flugvorbereitung

Wetter (Pilot)

Beladeplan (Studenten?)

Flugleistungen (Pilot)

Kraftstoff (Pilot)

Briefing (Luftraum, Fluganmeldung, Flugprogramm,….)

VersuchsablaufFlugvorbereitung

Beladeplan

Versuchsablauf

Flugdurchführung

Sicherheit geht vor!

Zügiges Arbeiten

Arbeitsteilung

Eindeutige Kommunikation

Abbruchkriterien (Übelkeit, Verkehr, Wetter, Datenerfassung, Flugzeug,….)

Versuchsablauf

Flugdurchführung

VIEL SPASS!!!

Seminar zum Fliegenden Hörsaal Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen.

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