Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

Steffen Gemsa, DLR Oberpfaffenhofen

Folie 2 > DLR FB-OP > Gemsa

Übersicht

Fliegender HörsaalDas KonzeptDas Flugzeug

TheorieStatische StabilitätDynamische StabilitätManöverstabilitätSteigflug- / Gleitflugleistung

VersuchsablaufFlugvorbereitungFlugdurchführung

Auswertung


Fliegender Hörsaal

Das Konzept„Erlebbares“ Flugpraktikum für möglichst viele Studenten7 Bildschirmplätze im FlugzeugDatenerfassungs- und Aufzeichnungsanlage

Luftdaten (+ met. Basisdaten, wenn erforderlich)Inertialdaten + GPS (Flugwegdaten)Höhenruderkraft und –ausschlag

Qualität der Daten ist „flugversuchstauglich“….


Fliegender Hörsaal


Fliegender Hörsaal

Das FlugzeugCessna C208B Grand Caravan3970kg MTOMVNE= 175KIAS

Länge 12,67mSpannweite 15,57mHöhe 4,71mFlügelfläche 25,96m2 Maximales Lastvielfache Klappen 0° +3,8g bis -1,52gMaximales Lastvielfache Klappen 10,20,30° +2,4g bis 0g


Fliegender Hörsaal

Das Flugzeug


Theorie

Statische Stabilität

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 Zustandüberführen

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 HöhenruderausschlagAus 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

MCLC

1

2

3



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.




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.



Längsstabilität – Longitudinal Stability Konventionelle Flugzeuge:

Ohne statische Stabilität nicht fliegbarKraftgradient kann beeinflusst werden (Apparent Stability):

Bob WeightsRuderausgleich, Horn, Tabs, etcFedern

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 ManövrierbarkeitSteuersäulen, die keinen Ausschlag zulassen, siehe F-16Nicht vorhersehbare Ruderkombinationen


Statische Stabilität: Neutralpunkt

Lw

Lt

Weight

Lw

Lta

t



Lw

Lt

Weight

Lw

t



Lw

Lt

Weight

Lw

Lt

at



Längsstabilität – Longitudinal Stability Mathematischer Zusammenhang

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

h ist die Lage des Schwerpunktes entlang der MACh0 ist die Lage des Angriffspunktes der Luftkräfte der Flügel-Rumpf-Kombination

dd

HVTaTahh

LdCMdC

10



Längsstabilität – Longitudinal Stability Mathematischer Zusammenhang

NeutralpunktBewegt 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

dd

HVTaTahnh

LdCMdC

100

dd

HVTaTahnh 10

nhhLdCMdC



Längsstabilität – Longitudinal StabilityStick-free

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

-200

-150

-100

-50

0

50

100

60 80 100 120 140 160

IAS [kts]

Elev

ator

For

ce [N

]

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

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0 0,5 1 1,5 2

CL

F/q

AFT

FWD




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 60CG

(F/q

)/CL




Gesetzliche Vorschriften :CS 23.145 Longitudinal ControlCS 23.173 Static Longitudinal StabilityCS 23.175 Demonstration of static Longitudinal Stability

CS 25.145 Longitudinal ControlCS 25.173 Static Longitudinal StabilityCS 25.175 Demonstration of static Longitudinal Stability


Theorie

Dynamische Stabilität

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

50

70

90

110

130

150

0 20 40 60 80 100 120

time[seconds]

indi

cate

d ai

rspe

ed[k

ts]



Phygoide: Mathematische Abschätzung aus Differentialgleichung der Bewegung

0

5.45

UPn

L

DP C

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 VerständnisStatische 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.

SVnWC

eL 2

021



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:

T

T

Vql

T

TT V

qldd

1



Vergleich zu statischer Längsstabilität

TEU

CL

e Im M

anöv

er

Statisch

Pull

CL

Fe

Im M

anöv

erStat

isch



Einfluss der Schwerpunktslage

TEU

n

e Fwd C

G

Aft CG

Pull

n

Fe

Fwd

CGAft C

G



Bestimmung der Manöverpunkte

CG

de/dn

Fwd CG

Aft CG

CG

dFe/dn

Fwd CG

Aft CG

Stick-fixedManeuver Point

Stick-freeManeuver Point



Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug

AbfangbogenAus der Mechanik folgt für die Nickrate

KurvenflugAus der Mechanik des Kurvenfluges folgt

Nickrate ist

damit

cos1

nWL

TVgnq 2sinsin

TVg

nnq

1

TVgnq )1(



Unterschied zwischen Abfangbogen und Kurvenflug

n

q

Turns

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:

2

1

llWbn

Fe



Gesetzliche Vorschriften

CS 23.155: Steuerhorn: Mind. 89N aber muss nicht mehr als 222N bei max.

Lastvielfachem seinSteuerknüppel: Mind. 66,8N aber muss nicht mehr als 156N bei max.

Lastvielfachem seinKein starker Rückgang des Kraft/n-Gradienten (!!!!)

FAR 25.---:Macht keine Aussage mehrWarum? Eventuell wegen Fly-by-Wire


Theorie

Steigflug- / Gleitflugleistung

Excess Power



Power required

Power available PropPower available jet

Velocity

Power

Best Rate of Climb Prop

Best Rate of ClimbJet



Excess Power ist Potentielle Energie +Kinetische Energie

Messbar entweder durchBeschleunigung (Level Acceleration, High Performance)Steigleistung (Saw Tooth Climb)



Time

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

Vx Vy

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 ArbeitenArbeitsteilungEindeutige KommunikationAbbruchkriterien (Übelkeit, Verkehr, Wetter, Datenerfassung, Flugzeug,….)


Versuchsablauf

Flugdurchführung


VIEL SPASS!!!

Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“

Documents

Transcript of Seminar zum „Fliegenden Hörsaal“