Technik

Technik Frank-Peter Schmidt-Lademann

TechnikAerodynamik

FlugzeugkundeInstrumentenkunde

Das Flugklare Flugzeug

Einige der Abbildungen wurden mit mit freundlicher Genehmigung desLuftfahrtverlag Friedrich Schiffmann GmbH & Co. KG, aus folgende Bänden entnommen:Schiffmann1: "Der Privatflugzeugführer", Band 1, Technik I, 1977Schiffmann3: "Der Privatflugzeugführer", Band 3, Technik II, 1977Schiffmann4A: "Der Privatflugzeugführer", Band 4A, Flugnavigation, 1979Schiffmann7: "Der Segelflugzeugführer", Band 7, 1997Hesse3: Hesse3, Flugnavigation, 1976Hesse4: Hesse4, Der Segelflugzeugführer, 1975


Technik

Aerodynamik


Kräfte im Flug

Schubkraft oder Vortriebskraft

Reibungskraft oderWiderstand


Luftströmung

Schiffmann7: Abb 4.1.6


Grenzschicht

Bereich, in dem die Luftteilchen durch den umströmten Körper verzögert werden



Ablösung der Grenzschicht



Wanderung der Abloesung

Film

Schiffmann1:


Theorien zum Auftrieb

Die Auftriebskruft entsteht durch Umlenkung der Luftteilchen

Die oberen Luftteilchen legen in der gleichen Zeit einen weiteren Weg als die unteren zurück. Nach

Bernouli entsteht durch die höhere Fließgeschwindigkeit ein Unterdruck an der

Flügeloberseite, der den Auftrieb erzeugt.

Die von unten auftreffenden Luftteilchen erzeugen einen Impuls nach oben, der den

Auftrieb erzeugt

Die oberen Luftteilchen werden bedingt durch den engeren Querschnitt beschleunigt. Nach Bernouli

entsteht durch die höhere Fließgeschwindigkeit ein Unterdruck an der Flügeloberseite, der den

Auftrieb erzeugt.


Downwash

Das Bild zeigt, wie die Strömung bei Flug über die Wolkennach unten gelenkt wurde.


Entstehung der Zirkulation



Druckverlauf

13

23



Druckpunktwanderung



Formwiderstand



Auftriebs/Widerstandsformel

Auftrieb Widerstand• Form abhängig

von der Anströmrichtung

• Fläche in Strömungsrichtung FA

• Luftdichte• Quadrat der

Geschwindigkeit

• Form abhängig von der Anströmrichtung

• Fläche quer zur Strömungsrichtung FW

• Luftdichte• Quadrat der

GeschwindigkeitA=CA*FA* **v22

1 W=Cw*Fw* **v221

q= *v21 2A=CA*FA*q W=Cw*Fw*q

Staudruck



Auftriebs/Widerstandsformel

A=CA*FA* **v221 W=Cw*Fw* **v22

1

Geschwindigkeit

Luftdichte

Fläche

Widerstands-beiwert

Fläche

Auftriebs-beiwert

Simulation

C:\data\mydata\SCHMILA\LUFTSP\flugkurs\fsim\Foilsim.exe


Lilienthal-Polare



Fragen 1• Was ist laminare, turbulente bzw verwirbelte Strömung• Was versteht man unter Umschlagpunkt• Beschreibe die Ablösung der Strömung• Wie entsteht der Auftrieb am Flügel• Wie verändert sich der Widerstand bei Verdoppelung der

Geschwindigkeit• Um wieviel erhöht sich die Mindestfahrt in 10000 m Höhe

gegenüber NN• Mit welchem Anstellwinkel fliege ich stationär bei doppelter

Mindestfahrt• wie verändert sich der Staudruck bei Verdoppelung der

Geschwindigkeit


Erkläre dieses Phänomen


Unterdruckphänomen


Concorde


Flugleistungspolare



Polare und Gewicht


Kräfte im Gleitflug



Kräfte im Gleitflug

geringer Widerstand

mittlerer Widerstandhalb ausgefahrene

Klappen

hoher Widerstandvoll ausgefahrene

Klappen


Fragen 2

• Wie ermittele ich in der Flugleistungspolaren das beste Gleiten

• Was versteht man unter der Luftkraft• Was versteht man unter stationärem Flug• Was versteht man unter Mindestfahrt• Wie verändert sich die Fluglage, wenn die Störklappen

ausgefahren werden. Erkläre an Hand des Kräftediagramms


Widerstandsarten

•Formwiderstand (Druckwiderstand)

•Reibungswiderstand

•Induzierter Widerstand

•Nebenwiderstand (Restwiderstand)

•Interferenzwiderstand


Induzierter Widerstand


Schiffmann1: Abb 13


B727 Wirbelschleppe

Animation


Wirbelschleppen


Wirbschleppe einer 747


Auftriebsverteilung



Seitenverhältnis



Besondere Flugzustände

• Trudeln–Steiltrudeln–Flachtrudeln–Ausleiten

• Slip–Einleiten–Ausleiten–Gefahren


Kurvenflug



Lastvielfache im Kurvenflug

Querneigung Lastvielfaches Fahrtzunahme 1 / cos 1 / cos 0° 1,00 1,00

20° 1,06 1,03

40° 1.31 1,14

60° 2,00 1,41

80° 5,76 2,40

85° 11,5 3,39


Kurvenge-schwindigkeit



Lastvielfaches im Abfangbogen

Lastvielfaches



Harte Landung


Fragen 3

• Welche Widerstandarten gibt es• Wie läßt sich der induzierte Widerstand reduzieren• Wie kommt es zum Trudeln, wie wird ausgeleitet• Beschreibe den Slip• Erkläre die Lastzunahme im Kurvenflug• Erkläre warum sich die Mindestfahrt um 1,4 bei einer

Kurve mit 60 Grad Schräglage erhöht• Warum sackt ein mit Mindestflug anfliegendes Flugzeug

im Abfangbogen durch


Profil

•Merkmale•Einstellwinkel•Anstellwinkel




Profilformen

•Bei zunehmendem Dickenverhältnis d/t steigt der Druckwiederstand•Bei zunehmender Wölbung steigt der Höchstauftrieb•Dickere Profile sind unempfindlicher gegen Änderung des Anstellwinkels•Mit zunehmender Dickenrücklage vermindert sich der Reibungswiderstand



Nurflügler Mü5

Spannweite 13,4m Flügelfläche 11m² Streckung 16,4 Flächenbelastung 12,3 kg/m² Gesamtlänge 2m Rüstgewicht 55kp Fluggewicht 135kp


Schränkung

Strömungsabriß erfolgt zunächst innenDie Querruderwirkung bleibt erhalten

Schiffmann7: Abb 4.1.56 Schiffmann7: Abb 4.1.57


Flächenbelastung

Fluggewicht G / Flügelfläche Fkp/m

Kleine Flächenbelastung: geringes Sinken,

besserer Langsamflug

Hohe Flächenbelastung:bessere Gleitzahl bei hohen Geschwindigkeiten,

besserer Schnellflug

2


Belastungs-probe

Belastung mit 2,5 Tonnen, um ein Lastvielfaches von 5.3 g zu simulieren. Da die Flügelaufbau symetrisch ist, genügt der Nachweis der negativen G-Belastung auch für den Nachweis bei positiver G-Belastung.


“Flight Envelope” und Manövergeschwindigkeit VA

0

-1

-2

-3

-4

1

2

3

4

5

6

7

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Strukturschaden

StrukturschadenStrukturbruch

Strukturbruch

Vorsichts-bereich

Lastviel-faches

Geschwindigkeit (IAS)

Va hohes Gewicht

Mindestfahrt

Normal envelope

Va geringes Gewicht

Strömungsabriß

VNEVNOVS

Maximal zul. Last-vielfaches

Va verringert sich bei vermindertem Fluggewicht VS0

Flap envelope

Stationärer Flug bei 1 G

Bereich nicht anliegender Strömung

Bereich nicht anliegender Strömung

Rückenflug Bereich


Querruder



Höhenruder



Seitenruder



MassenausgleichMassenausgleich

Verlagerung des Ruderschwerpunkts in die AchseAerodynamischer Massenausgleich

Verringerung der Ruderkräfte




Wölb-, Spreiz- und StörklappenWölb- und Spreizklappen verändern das Profil und damit auch den Einstellwinkel

• Verbessern das Landeverhalten,• Verbessern die

Schnellflugeigenschaften

Störklappen vermindern den Auftrieb und erhöhen den Widerstand

• Dienen zur Steuerung des Gleitwegs• Vermeidung unerwünschter hoher

Geschwindigkeit (z.B. F-Schlepp)




TrimmungFedertrimmung

Trimmung kann nicht falsche Beladung ausgleichen!





Stabilität

Schiffmann7: Abb 4.1.73Schiffmann7: Abb 4.1.74


Flugstabilität

• Flügelpfeilung• Rumpflänge

• V Form der Flächen

• Schwerpunkt relativ zu Flächen

• Druckpunktstabilität



Fragen 4

• Wann kann eine Ruderumkehrwirkung eintreten• Wie bezeichnet man die Bewegungsachsen eines Flugzeuges• Was versteht man unter dem negativen Wendemoment• Wie nennt man das Verhältnis zwischen Scheingewichtskraft

und Gewichtskraft• Welche Kräfte wirken auf das Flugzeug ein• Erkläre den Unterschied zwischen Wölb- und Störklappen• wie erreicht man Stabilität um die Längsachse


Technik

Flugzeugkunde


Einteilung der LuftfahrzeugeLuftfahrzeuge

Leichter als Luft Schwerer als Luft Ballistische LFZ

Motorgetriebene Flugzeuge

Motorlose Flugzeuge

DrehflüglerStarrflüglerMotorsegler

UL-Flugzeuge

SegelflugzeugeDrachen

Fallschirme

BalloneLuftschiffe

RaketenRaumgleiter


BauformenTiefdecker: SF 25, DR400Mitteldecker: ASK13, AstirSchulterdecker: Ka8, Ka6Hochdecker: Lo100

BauweiseHolzbauweise: Ka6Metallbauweise: BlanikGemischtbauweise: ASK13, Ka8Kunststoffbauweise: Mistral, Astir

Schiffmann7: Abb 4.2.1-3


KonstruktionsgruppenFlugzeug

Flugwerk Triebwerk Ausrüstung

RumpfwerkTragwerkLeitwerkSteuerwerkFahrwerk

MotorPropellerKraftstoffanlage

MindestausrüstungSonderausrüstung


Rumpfwerk

Gerüstbauweise

Schalenbauweise

Die veraltete Gitterbauweise ist hier

nicht gezeigt




Das Tragwerk




Leitwerk




Differenziertes Querruder



AchsenHochachse

(Gieren)

Längsachse (Rollen)

Querachse (Nicken)

Im Schnittpunkt der drei Achsen liegt der

Schwerpunkt

Schiffmann1: Abb 39


Konstruktion und Sicherheit

BedienungskomfortHebelfarben, Pedaleinstellung, Sitzeinstellung,Fahrwerkssignal, Überziehwarnung- Ausschaltung menschlichen Versagens -FlugstabilitätSchränkung, StabilitätRedundanzStopmuttern, Kronenmuttern, Splinte, Fokkernadeln, doppelte Zündanlage- Ausschaltung technischen Versagens -Schutz des PilotenStabiler Rumpf, Splitterfreiheit, Federung, Fahrwerkskonstruktion


Fragen 5

• Was versteht man unter einer Torsionsnase• Welchen Zweck hat die Diefferenzierung des Querruders• Ordne die Ruder den Drehachsen zu• Was versteht man unter einem ungedämpftem Ruder


Was so alles fliegt


Technik




• Kenntnis der Flugdaten aus dem Flughandbuch

• Vorflugkontrolle

• Flugzeugpapiere

• Beladung

• Startcheck


BeladungLeergewichtRüstgewichtFluggewichtMindestgewichtHöchstzulässiges AbfluggewichtBeladeplan


Nicht immer zeigen sich Beladungsfehler so deutlich


Schwerpunktlage

Ermittlung der Leermasse und der

Leermassen-schwerpunktlage

+




Schwerpunktberechnung

Station Gewicht Hebelarm Drehmomentkp cm cm*kp

Leergewicht 400 92 36800vorderer Sitz 65 -22 -1430hinterer Sitz 80 70 5600Gepaeck 1 90 90Gesammtgew: 546 Gesammtmom: 41060

Minimum errechnet MaximumSchwerpunktlage 70 75.20 76Gesammtgewicht 546 600

Abstand der Station vom Bezugspunkt (Flughandbuch)

Gewicht der StationDas Moment ergibt

sich aus Gewicht*Hebel

Vorderste Schwerpunktlage Hinterste

Schwerpunktlage

Schwerpunkt = Gesammtmoment / Gesammtgewicht

Maximales GesammtgewichtGesammtgewicht

Die Daten zum Leergewicht stehen im Flughandbuch

BP

Vorderer Sitz

Bezugspunkt

Zulässiger Schwerpunktsbereich

Hinterer Sitz Leergewichtsschwerpunkt


Fragen Aerodynamik• Wann spricht man von Abreißen der Strömung?• Der Widerstand eines Körpers ist abhängig von?• Den durch Druckausgleich an den Flügelenden entstehenden Widerstand nennt man?

• Welche Faktoren bestimmen den Auftrieb• Wie verhalten sich Mindestgeschwindigkeit und Gleitwinkel bei Ausfahren der Störklappen

• Was versteht man unter Luftkraft• Was ist bei einer Steilkurve zu beachten• Inwiefern ist die Mindestfahrt von Flächenbelastung und Klappenstellung abhängig

• Was versteht man unter Druckpunkt bzw Staupunkt• Die Steuerung um die Querachse erfolgt mit Hilfe?• Wann kann eine Ruderumkehrwirkung eintreten• Welche Stellung des Trimmruders bewirkt Kopflastigkeit• Welche Hebel haben die Farben Rot, Blau und Grün• Was versteht man unter der Manövergeschwindigkeit• Was ist für die Beladung eines Flugzeuges entscheident• Erkläre Leermasse, Rüstmasse, Flugmasse, Zuladung


Aufgabe: Grenzschicht

Ordne zu:Ablösepunkt, Staupunkt, Umschlagpunkt


Aufgabe: Polare

Ordne zu:Bestes GleitenRückenflugSchnellflugAuftriebslosStrömungsabriß


Aufgabe: Flugleistungspolare

2

Ordne zu:Geschwindigkeit des besten GleitensGeschwindigkeit des geringsten Sinkens


Zuladung

Welche Zuladung ist bei einem

Leergewicht von 260 kg und einem Wasserballast von

90 ltr maximal zulässig


Cockpit einer A319

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